JP2014215353A - 定着装置およびそれを備えた画像形成装置 - Google Patents

定着装置およびそれを備えた画像形成装置 Download PDF

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Abstract

【課題】エネルギーロスを低減することができる定着装置およびそれを備えた画像形成装置を提供すること。【解決手段】加熱される定着ローラと、前記定着ローラとニップ部を形成するように前記定着ローラと対向する位置に配置された加圧ローラと、少なくとも前記定着ローラの周囲に配置された蓄熱壁とを備え、未定着トナー像を有する記録用紙が、加熱された前記定着ローラと前記加圧ローラとの間の前記ニップ部に搬送されることにより、未定着トナー像を記録用紙に定着させるよう構成され、前記蓄熱壁は、前記定着ローラから放出された熱を蓄熱可能であると共に、前記定着ローラに向けて放熱可能に構成されたことを特徴とする定着装置。【選択図】図2

Description

本発明は、定着装置およびそれを備えた画像形成装置に関する。
電子写真方式の画像形成装置は、高画質画像の形成を再現性および操作性よく行え、しかも安価であることから、複写機、プリンタ、ファクシミリ、これらの2種以上の機能を有する複合機などとして汎用されている。
この画像形成装置には、記録用紙上に未定着トナーが付着して形成された未定着トナー像を記録用紙に定着させる定着装置が備えられている。一般に定着装置は、定着ローラと、定着ローラとニップ部を形成するように定着ローラと対向する位置に配置された加圧ローラとを備え、未定着トナー像を有する記録用紙が、加熱した定着ローラと加圧ローラとの間のニップ部に搬送されることにより、未定着トナーを溶融して記録用紙に定着させるよう構成されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2011−118010号公報
近年、環境負荷を低減するために、省エネルギー性能の向上が求められていることから、立ち上がり時間の早い定着装置の開発が盛んに行われている。立ち上がり時間の短縮には、定着ローラといった定着部材の低熱容量化や熱源の高効率化が効果的である。
しかしながら、立ち上がり時間を短縮した定着装置であっても、定着動作時には定着ローラ等から熱エネルギーが外部へ放出されているため、エネルギーロスをさらに低減することが望まれている。
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、エネルギーロスを低減することができる定着装置およびそれを備えた画像形成装置を提供することを目的とする。
かくして、本発明によれば、加熱される定着ローラと、前記定着ローラとニップ部を形成するように前記定着ローラと対向する位置に配置された加圧ローラと、少なくとも前記定着ローラの周囲に配置された蓄熱壁とを備え、未定着トナー像を有する記録用紙が、加熱された前記定着ローラと前記加圧ローラとの間の前記ニップ部に搬送されることにより、未定着トナー像を記録用紙に定着させるよう構成され、
前記蓄熱壁は、前記定着ローラから放出された熱を蓄熱可能であると共に、前記定着ローラに向けて放熱可能に構成された定着装置が提供される。
また、本発明の別の観点によれば、表面に静電潜像が形成される感光体ドラムと、該感光体ドラムの表面を帯電させる帯電装置と、前記感光体ドラムの表面に静電潜像を形成する露光装置と、前記感光体ドラムの表面の静電潜像にトナーを供給してトナー像を形成する現像装置と、前記感光体ドラムの表面のトナー像を記録用紙に転写する転写装置と、記録用紙に転写された未定着トナー像を記録用紙に定着させる前記定着装置とを備えた画像形成装置が提供される。
本発明の定着装置によれば、定着動作時に定着ローラから放熱された熱を蓄熱壁にて蓄熱し、次の定着動作時に蓄熱壁に蓄えられた熱を定着ローラに向けて放熱することができる。これにより、次の定着動作時に必要な熱エネルギーを低減させ、かつ立ち上がり時間を短縮することができる。
本発明の定着装置を備えた画像形成装置の実施形態1を示す構成図である。 図1の画像形成装置に備えられた本発明の定着装置の実施形態1を示す正面から視た断面図である。 実施形態1の定着装置におけるケーシングおよび蓄熱壁を上方から視た断面図である。 バイメタルおよびヒータを備えた実施形態1の刺激付与部による潜熱蓄熱材層への作用を説明するフローチャートである。 圧電振動板を備えた刺激付与部による潜熱蓄熱材層への作用を説明するフローチャートである。 実施形態2におけるケーシングおよび蓄熱壁の正面から視た断面図である。 蓄熱材層を有する場合(本発明)と有さない場合の定着動作時の定着ローラの温度変化を説明する概念図である。 実施形態3におけるケーシングおよび蓄熱壁の正面から視た断面図である。
以下、図面を参照しながら本発明の定着装置およびそれを備えた画像形成装置の実施形態を説明する。なお、画像形成装置の全体構成を説明した後、本発明の特徴である定着装置について詳しく説明する。
<実施形態1>
(画像形成装置について)
図1は本発明の定着装置を備えた画像形成装置の実施形態1を示す構成図である。
図1に示された画像形成装置100は、4つの画像形成ユニットK、C、M、Yと、中間転写ベルトユニット8と、定着装置12と、記録用紙搬送路Sと、給紙トレイ10と、排紙トレイ15と、図示しない制御部とを備え、外部から伝達された画像データに応じて、所定の記録用紙に対して多色または単色の画像を形成する。
本画像形成装置100において扱われる画像データは、ブラック、シアン、マゼンタ、イエローの各色を用いたカラー画像に応じたものである。従って、画像形成ユニットKではブラック、画像形成ユニットCではシアン、画像形成ユニットMではマゼンタ、画像形成ユニットYではイエローについての画像形成処理が実行される。
画像形成ユニットKは、露光ユニット1、現像器2a、感光体ドラム3a、クリーナユニット4a、帯電器5aおよびトナー補給装置22aを備えている。画像形成ユニットC、M、Yも同様である。なお、図1において、画像形成ユニットCの各構成要素は2b〜5b、22bで表記され、画像形成ユニットMの各構成要素は2c〜5c、22cで表記され、画像形成ユニットYの各構成要素は2d〜5d、22dで表記されている。
画像形成装置100では、ブラック、シアン、マゼンタおよびイエローの色成分毎の画像データに基づいて、各感光体ドラム3a〜3dの表面に、ブラックトナー画像、シアントナー画像、マゼンタトナー画像およびイエロートナー画像が選択的に形成され、形成された各トナー画像が中間転写ベルトユニット8上で重ねられ、記録用紙上にカラー画像が形成されるように構成されている。
以下、各色に対応する感光体ドラム3a〜3dは同じ構成であるため、それらの構成の説明では符号を3に統一し、これと同様に、現像器は符号を2、クリーナユニットは符号を4、帯電器は符号を5に統一して説明する。
感光体ドラム3は、画像形成装置100の上部に配設されている。
帯電器5は、感光体ドラム3の表面を所定の電位に均一に帯電させるための帯電手段であり、ここではローラ型の帯電器が用いられている。ただし、帯電器5として、ブラシ型の帯電器や、チャージャー型の帯電器を用いてもよい。
露光ユニット1は、入力された画像データに応じて帯電された感光体ドラム3を露光することにより、感光体ドラム表面に画像データに応じた静電潜像を形成する機能を有する。ここでは、レーザ照射部および反射ミラーを備えたレーザスキャニングユニット(LSU)が露光ユニット1として用いられる。ただし、露光ユニット1として、発光素子をアレイ状に並べた例えばELやLED書込みヘッドを用いてもよい。
現像器2は、感光体ドラム3上に形成された静電潜像をトナーにより顕像化する。
クリーナユニット4は、トナー画像の転写後における感光体ドラム3上の表面に残留したトナーを除去し回収する。
感光体ドラム3の上方に配置されている中間転写ベルトユニット8は、中間転写ベルト7と、中間転写ベルト駆動ローラ71と、中間転写ベルトテンション機構(図示省略)と、中間転写ベルト従動ローラ72と、中間転写ローラ6(6a、6b、6c、6d)と、中間転写ベルトクリーニングユニット9とを備えている。
中間転写ベルト7は、中間転写ベルト駆動ローラ71、中間転写ベルトテンションローラ、中間転写ローラ6および中間転写ベルト従動ローラ72に張架され、図1の矢印B方向に回転駆動される。
中間転写ローラ6は、中間転写ベルトテンション機構の中間転写ローラ取付部に回転可能に支持されており、感光体ドラム3のトナー像を中間転写ベルト7上に転写するための電源装置からの転写バイアスが印加される。
中間転写ベルト7は、厚さ100μm〜150μm程度のフィルムを用いて無端状に形成されており、各感光体ドラム3に接触するように設けられている。また、中間転写ベルト7は、その表面に多色トナー像を担持する機能を有しており、各色のトナー像が各感光体ドラム3から順次転写される。
感光体ドラム3から中間転写ベルト7へのトナー像の転写は、中間転写ベルト7の内周面に接触し、かつ高電圧の転写バイアスが印加された中間転写ローラ6によって行われる。実施形態1では、トナーの帯電極性が負極性であるため、正極性の高電圧が転写バイアスとして用いられる。
中間転写ローラ6は、直径8〜10mmの金属軸(例えば、ステンレス製)をベースとし、その表面は、導電性弾性材(例えば、EPDM、発泡ウレタン等)により覆われているローラである。この導電性弾性材は、中間転写ベルト7に対して均一に高電圧を印加するために用いられている。また、本実施の形態では、転写電極としてローラ形状を使用しているが、それ以外にブラシなどを用いてもよい。
中間転写ベルト7を介して中間転写ベルト駆動ローラ71に当接するように転写ローラ11が配置されている。このとき、中間転写ベルト7と転写ローラ11とは、所定量のニップが形成されるように圧接する。
各感光体3上で各色相に応じて形成されたトナー像(現像剤像)は中間転写ベルト7で積層される。続いて、積層されたトナー像は、中間転写ベルト7の回転によって記録用紙と中間転写ベルト7の接触位置に導かれ、転写ローラ11に印加される転写バイアスによって記録用紙上に転写される。なお、転写バイアスは、トナーの帯電極性とは逆極性の正極性である。
さらに、転写ローラ11は前記ニップを定常的に得るために、転写ローラ11もしくは中間転写ベルト駆動ローラ71の何れか一方を硬質材料(金属等)とし、他方には、弾性ローラ等の軟質材料(弾性ゴムローラ、または発泡性樹脂ローラ等々)が用いられる。
転写ローラ11によって記録用紙上に転写が行われず中間転写ベルト7上に残存したトナーは、次工程でトナーの混色を発生させる原因となるため、中間転写ベルトクリーニングユニット9によって除去・回収される。
中間転写ベルトクリーニングユニット9には、中間転写ベルト7に接触するクリーニングブレードが備えられている。なお、クリーニングブレードが接触する中間転写ベルト7は、裏側から中間転写ベルト従動ローラ72で支持されている。
画像形成装置100の下部に配設される給紙トレイ10は、画像形成に使用する記録用紙を蓄積しておくためのトレイであり、露光ユニット1の下方に設けられている。
画像形成装置100の側面に配設される手差しトレイ17は、給紙トレイ10内の記録用紙以外の記録用紙に印刷したい場合に用いられる。
本画像形成装置100の上部に設けられている排紙トレイ15は、印刷済みの記録用紙をフェイスダウンで載置するためのトレイである。
本画像形成装置100には、給紙トレイ10の記録用紙を転写ローラ11や定着装置12を経由させて排紙トレイ15に送るための、略垂直方向に延びる記録用紙搬送路Sが形成されている。
さらに、この記録用紙搬送路Sに沿って、ピックアップローラ16a、レジストローラ16b、転写ローラ11、定着装置12、記録用紙を搬送する搬送ローラ25a〜25f等が配設されている。これらの搬送ローラ25a〜25fは、記録用紙の搬送を促進および補助するための小型のローラであり、記録用紙搬送路Sに沿って複数設けられている。
ピックアップローラ16aは、給紙トレイ10の端部に備えられ、給紙トレイ10から記録用紙を1枚ずつ記録用紙搬送路Sに供給する呼び込みローラである。
レジストローラ16bは、記録用紙搬送路Sを搬送されている記録用紙を一旦保持し、感光体ドラム3上のトナー像の先端と記録用紙の先端を合わせるタイミングで記録用紙を転写ローラ11と中間転写ベルト駆動ローラ71との間に搬送する。
(定着装置について)
図2は図1の画像形成装置に備えられた本発明の定着装置の実施形態1を示す正面から視た断面図であり、図3は実施形態1の定着装置におけるケーシングおよび蓄熱壁を上方から視た断面図である。
本発明の定着装置12は、図2に示すように、加熱される定着ローラ121と、定着ローラ121とニップ部Nを形成するように定着ローラ121と対向する位置に配置された加圧ローラ122と、少なくとも定着ローラ121の周囲に配置された蓄熱壁123と、定着ローラ121、加圧ローラ122、蓄熱壁123等を包囲すると共にこれらを支持するケーシング124とを備えている。そして、蓄熱壁123は、定着ローラ121から放出された熱を蓄熱可能であると共に、定着ローラ121に向けて放熱可能に構成されている。
以下、定着装置12の各構成要素について説明する。
ケーシング124は、上壁124aおよび下壁124bにおける前記ニップ部Nに対応する位置にスリットSを有する前後方向に長い直方体形である。ケーシング124の前壁124cおよび後壁124dには、定着ローラ121および加圧ローラ122の両端をそれぞれ挿通させると共に、各両端を回転可能に支持する軸受が取り付けられる図示しない孔部が形成されている。
また、ケーシング124の左側壁124eおよび右側壁124fには、後述する一対の刺激付与部125を取り付けるための取付孔が形成されている。
ケーシング124の構成材料としては、定着ローラ121、加圧ローラ122、蓄熱壁123等を支持できる強度と、ある程度の耐熱性を有し、さらには低い熱伝導性を有している材料が好ましく、例えば、ガラス繊維、鉱物粉末、難燃剤を含むPET(ポリエチレンテレフタレート)が好適である。
定着ローラ121は、記録用紙Pに担持されるトナー像を構成する未定着トナーTを加熱溶融させて、加圧ローラ122と共に記録用紙Pに定着させるローラである。
図2に示すように、定着ローラ121は、例えば、円筒状または円柱状の芯金121aと、芯金121aの外周面を覆う表面層121cとを含むローラ状部材であり、実施形態1のように、芯金121aと表面層121cとの間に弾性体層121bがさらに設けられていてもよい。
芯金121aを形成する金属材料としては、熱伝導率の高い金属、例えば、アルミニウム、鉄などを使用することができる。芯金212aは、円筒状または円柱状などの形状に形成さるが、円筒状であれば内部にハロゲンランプといった加熱手段を設けることができる。
弾性体層121bを構成する材料としては、ゴム弾性を有するものであれば特に制限はなく、耐熱性にも優れるものが好ましい。このような材料の具体例としては、例えば、シリコンゴム、フッ素ゴム、またはフルオロシリコンゴムなどが挙げられる。これらの中でも、特にゴム弾性に優れるシリコンゴムが好ましい。
表面層121cを構成する材料としては、耐熱性および耐久性に優れ、トナーとの付着力が弱いものであれば特に制限されず、例えば、PFA(テトラフルオロエチレンとペルフルオロアルキルビニルエーテルとの共重合体)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)などのフッ素系樹脂材料、またはフッ素ゴムなどが挙げられる。表面層121bの厚さとしては30〜50μm程度が適当である。
実施形態1では、肉厚0.45mmの鉄製の芯金121aの外周面をシリコンスポンジからなる厚さ8mmの弾性体層121bが覆い、弾性体層121bの外周面を厚さ30μmのPFAチューブからなる表面層121cが覆うことにより、外径約40mmの定着ローラ121が構成されている。
定着ローラ121の一端には図示しないギアが取り付けられ、このギアは図示しない駆動手段の駆動ギアと噛合することによって、定着ローラ121は矢符Xの方向に所定の速度で回転する。
また、定着ローラ121の内部にはヒータ126が挿通されると共に、定着ローラ121の表面温度を検出する温度センサ127がケーシング124に取り付けられている。
ヒータ126としては、定着ローラ121の芯金121aに非接触状態で放射熱を照射するハロゲンヒータが好適である。
温度センサ127としては、特に限定されず、接触式でも非接触式でもよく、実施形態1ではサーミスタが用いられている。
加圧ローラ122は、図示しない加圧機構により定着ローラ121に圧接された状態で回転自在に設けられており、定着ローラ121の回転に伴って従動回転する。加圧ローラ122は、定着ローラ121によるトナー像の記録用紙Pへの加熱定着に際し、溶融状態にあるトナーを記録用紙Pに対して押圧することによって、トナー像の記録用紙Pへの定着を促進する。
実施形態1において、加圧ローラ122は、芯金122aと、芯金122aの外周面を覆う弾性体層122bと、弾性体層122bの外周面を覆う表面層122cとを有してなる。
芯金122a、弾性体層122bおよび表面層122cを形成する材料は、定着ローラ121の芯金121a、弾性体層121bおよび表面層121cを形成する材料と同じものを使用できる。また、加圧ローラ122の芯金122aの形状も定着ローラ121の芯金121aと同じにすることができる。
実施形態1では、肉厚3mmの鉄製の芯金122aの外周面をシリコンスポンジからなる厚さ8mmの弾性体層122bが覆い、弾性体層122bの外周面を厚さ50μmのPFAチューブからなる表面層122cが覆うことにより、外径約40mmの加圧ローラ122が構成されている。
蓄熱壁123は、蓄熱材層123aと、この蓄熱材層123aを被覆する被覆体123bとを有し、ケーシング124の内面に取り付けられている。実施形態1の場合、ケーシング124における上下一対のスリットSの左右内側面に、正面から視てコの字形の断面形状を有する左右一対の蓄熱壁123が密着している。これら左右一対の蓄熱壁123によって、定着ローラ121および加圧ローラ122の外周面が包囲される。なお、加圧ローラ122側の蓄熱壁123は省略してもよい。
蓄熱材層123aを形成する材料としては、顕熱蓄熱材、潜熱蓄熱材、化学蓄熱材等が挙げられる。
顕熱蓄熱材としては、セラミック、金属等が挙げられる。
潜熱蓄熱材としては、酢酸ナトリウム水和物、塩化カルシウム水和物、硫酸ナトリウム水和物、チオ硫酸ナトリウム水和物といった無機塩水和物、エリスリトール、マンニトール、ガラクチトールといった糖アルコール、ノルマルパラフィン、有機酸等が挙げられる。
化学蓄熱材としては、酸化マグネシウムの水和反応を利用した化学蓄熱材が挙げられる。
これらの中でも、単一の材料を用いる場合は、蓄熱密度が比較的高く、発熱温度も高く、過冷却状態を取ることができる潜熱蓄熱材が好ましく、特に、エリスリトールが好ましい。
過冷却状態を取ることができる潜熱蓄熱材は、固体状態から液体状態に変化する際に吸熱し、凝固点以下まで温度が下がっても液体状態を保持し、刺激を与えることで凝固熱を発生しながら液体状態から固体状態へ変化する。そのため、定着装置12における未定着トナーTの記録用紙Pへの定着時に発生した熱エネルギーを蓄熱材層123a(潜熱蓄熱材層123a1)が蓄え、長期のスリープ状態からの復帰の際に蓄熱材層123aに刺激を与えることで発熱し、定着ローラ121の加熱に必要なエネルギーを低減することができる。
被覆体123bは、蓄熱材料を被覆しかつケーシング123の内面側に保持することにより、蓄熱材層123aを層状に形作るパッケージである。また、被覆体123bは、蓄熱材層123aを構成する蓄熱材料の外部漏れ、蒸発等を防止し、蓄熱材層123aを保護する役割も担う。蓄熱材料を被覆体123b内に収容することによって、蓄熱材層123aを形成しかつ保持することができる。また、このようにすれば、厚みを薄くしながら広い面積の蓄熱材層123bを形成することができるため、蓄熱および放熱を効率よく行うことができる。
被覆体123bとしては、ケーシング123と同じ材料を用いて成形した硬質の密閉容器を用いることができる。あるいは、ポリプロピレン、PET等の単層樹脂フィルム、単層樹脂フィルムを貼り合わせた複層樹脂フィルム、単層または複層樹脂フィルムに金属を蒸着させた複合フィルム等からなる袋体を被覆体123bとして用いることもできる。なお、容器形あるいは袋形の被覆体123bには、液体状態の蓄熱材料を注入する注入孔を予め形成しておき、蓄熱材料の注入後に注入孔を封止する。
蓄熱材層123aが、液状過冷却状態を保持可能な潜熱蓄熱材料を用いた潜熱蓄熱材層123a1である場合、液状過冷却状態の潜熱蓄熱材層123a1に刺激を与えて固体に相変化させる前記刺激付与部125がケーシング124に設けられる。さらに、定着装置12は、刺激付与部125を制御する図示しない制御部を備えている。
刺激付与部125にて液状過冷却状態の潜熱蓄熱材層123a1に刺激を与えることにより、潜熱蓄熱材層123a1の状態が過冷却から凝固に変化し、この際に潜熱蓄熱材層123a1から凝固熱が外部へ放出される。よって、刺激付与部125を操作することで潜熱蓄熱材層123a1が蓄えた熱を、定着ローラ121を加熱するタイミングで取り出すことができる。この結果、省エネルギー性能がより一層向上すると共に、定着時の立ち上がり時間をより短縮することができる。
刺激付与部125としては、実施形態1ではバイメタル125aおよびバイメタル125aを加熱するヒータ125bの組み合わせを用いた場合を例示しているが、その他に、金属片および金属片に貼り付けられた圧電素子の組み合わせ(圧電振動板)を用いてもよい。なお、刺激付与部125のヒータ125bとしては、例えば、シーズヒータが用いられる。
図4はバイメタルおよびヒータを備えた実施形態1の刺激付与部125による潜熱蓄熱材層への作用を説明するフローチャートである。
図4に示すように、温度センサ127であるサーミスタが検知する温度が設定温度以下になった時、あるいは定着動作開始時、あるいはその両方の時に、制御部の制御によりヒータ125bに電力を供給して作動させ、それによりバイメタル125aを加熱して曲げることにより、液状過冷却状態の潜熱蓄熱材層123a1に刺激を与えて凝固させ、それにより凝固熱を取り出すことができる。
図5は圧電振動板を備えた刺激付与部による潜熱蓄熱材層への作用を説明するフローチャートである。
図5に示すように、温度センサ127であるサーミスタが検知する温度が設定温度以下になった時、あるいは定着動作開始時、あるいはその両方の時に、制御部の制御により圧電素子に電力を供給して作動させて金属片を振動させることにより、液状過冷却状態の潜熱蓄熱材層123a1に刺激を与えて凝固させ、それにより凝固熱を取り出すことができる。
このように構成された定着装置12によれば、定着動作時にヒータ126により定着ローラ121を加熱し定着ローラ表面温度を設定温度まで上昇させて定着が行われる。この間、定着ローラ121の表面から放出される高温域の熱を固体状態の潜熱蓄熱材層123a1が吸収して液体状態に変化する。つまり、潜熱蓄熱材層123a1の温度が、その材料であるエリスリトール(融解潜熱340kJ/kg)の融点(120℃程度)以上となると固体状態から液体状態に変化しながら蓄熱する。
定着後、ヒータ126はOFFし、定着ローラ表面温度が徐々に低下していく。このとき、エリスリトールは過冷却状態をとる潜熱蓄熱材料であるため、潜熱蓄熱材層123a1の温度が融点より低下しても潜熱蓄熱材層123a1は液体状態を維持する。なお、潜熱蓄熱材層123a1の温度が融点に達するまでの間、潜熱蓄熱材層123a1から少しずつ顕熱が放出することにより定着装置12内が保温されるため、潜熱蓄熱材層123a1が無い場合と比較すると定着ローラ表面温度は緩やかに低下する。
そして、次の定着動作を行う際、上述したように温度センサ127が検知する温度が設定温度以下になった時、あるいは定着動作開始時、あるいはその両方の時に、刺激付与部125が作動して潜熱蓄熱材層123a1に刺激を与えると、潜熱蓄熱材層123a1が液体状態から固体状態へ変化していきながら凝固熱(結晶化熱)を放出し、この凝固熱によって定着ローラ121の表面が加熱される。
この結果、定着ローラ121の表面温度が設定温度まで上昇して定着動作を開始できるまでの立ち上がり時間が短縮できると共に、ヒータ126の省電力が図られる。つまり、定着動作時の熱エネルギーを再利用するため、新たに必要となる熱エネルギーを低減することができる。なお、この効果は、加圧ローラ122の表面も潜熱蓄熱材層123a1の凝固熱により加熱されることでより一層高められる。
<実施形態2>
図6は実施形態2におけるケーシングおよび蓄熱壁の正面から視た断面図である。なお、図6において、図2および図3中の要素と同様の要素には同一の符号を付している。
図2および図3で説明した実施形態1では、蓄熱壁123の蓄熱材層123aが1つの潜熱蓄熱材層123a1からなる場合を例示したが、実施形態2では、潜熱蓄熱材層が、温度が異なる潜熱を蓄熱可能な複数の潜熱蓄熱材層からなる場合を例示している。
このようにすれば、温度が異なる潜熱を複数の潜熱蓄熱材層にて蓄熱することができるため、広い温度範囲の熱を蓄熱に利用することが可能となる。なお、実施形態2において、その他の構成は実施形態1と概ね同様である。
より具体的に説明すると、実施形態2における蓄熱壁223は、高温域(100〜130℃程度)の蓄熱が可能な第1潜熱蓄熱材層223a1および中温域(50〜80℃程度)の蓄熱が可能な第2潜熱蓄熱材層223a2を有すると共に、第1および第2潜熱蓄熱材層223a1、223a2を個別に収容する第1および第2被覆体223b1、223b2を有してなる。
さらに、第1潜熱蓄熱材層223a1は定着ローラ121側に配置され、第2潜熱蓄熱材層223a2は定着ローラ121と反対側に配置されている。このとき、実施形態2において、潜熱蓄熱材として、第1潜熱蓄熱材層223a1にはエリスリトール、第2潜熱蓄熱材層223a2にはノルマルパラフィンを用いている。なお、ノルマルパラフィンとしては、例えば、融点28.2℃、融解潜熱243.6kJ/kgのn−オクタデカンを用いることができる。
図7は蓄熱材層を有する場合(本発明)と有さない場合の定着動作時の定着ローラの温度変化を説明する概念図である。なお、図7において、グラフ実線は蓄熱材層を有さない定着装置における定着ローラ表面温度を表し、グラフ点線は実施形態2の定着装置における定着ローラ表面温度を表している。
図7に示すように、1回目の定着動作において、ヒータ126にて定着ローラ121を加熱し定着ローラ表面温度を設定温度まで上昇させて定着が行われる。この間、定着ローラ121の表面から放出される中温域の熱を固体状態の第2潜熱蓄熱材層223a2は蓄熱しながら液体状態に変化すると共に、高温域の熱を固体状態の第1潜熱蓄熱材層223a1は蓄熱しながら液体状態に変化する。
定着後、ヒータ126はOFFし、定着ローラ表面温度が徐々に低下していく。このとき、エリスリトールは過冷却状態をとる潜熱蓄熱材料であるため、第1潜熱蓄熱材層223a1の温度が融点より低下しても第1潜熱蓄熱材層223a1は液体状態を維持する。なお、第1潜熱蓄熱材層223a1の温度が融点に達するまでの間、第1潜熱蓄熱材層223a1から少しずつ顕熱が放出することにより定着装置12内が保温されると共に、第2潜熱蓄熱材層223a2の温度低下が緩やかとなる。
それに加え、ノルマルパラフィンは過冷却状態をとることが少ないため、第2潜熱蓄熱材層123a2の温度が融点より低下すると第2潜熱蓄熱材層123a2は液体状態から固体状態に変化しながら中音域の凝固熱を放出し、それによって定着装置12内が保温される。そのため、定着ローラ表面温度は、第2潜熱蓄熱材層123a2が無い場合と比べて緩やかに低下すると共に、第2潜熱蓄熱材層123a2からの凝固熱の放出が継続されている間は定着装置12内の温度よりも高い温度(ノルマルパラフィンの融点付近)に維持される。
そして、2回目の定着動作を行う際、上述したように温度センサ127が検知する温度が設定温度以下になった時、あるいは定着動作開始時、あるいはその両方の時に、刺激付与部125が作動して第1潜熱蓄熱材層123a1に刺激を与えると、第1潜熱蓄熱材層123a1が液体状態から固体状態へ変化していきながら凝固熱を放出し、この凝固熱によって定着ローラ121の表面および第2潜熱蓄熱材層123a2が加熱される。
このとき、第1および第2潜熱蓄熱材層123a1、123a2が無い場合と比べて、刺激付与部125の作動開始時の定着ローラ表面温度は実施形態2の方が高いため、短時間で定着ローラ表面温度を設定温度まで上昇させることができる。つまり、定着動作の立ち上がり時間が短縮し、かつ消費する熱エネルギーが低減する。
<実施形態3>
図8は実施形態3におけるケーシングおよび蓄熱壁の正面から視た断面図である。なお、図3において、図2および図3中の要素と同様の要素には同一の符号を付している。
実施形態3の定着装置は、蓄熱材層123aの外面側に配置される断熱材層130をさらに備えている。実施形態3におけるその他の構成は、実施形態1と同様である。
図8では、実施形態1の定着装置(図2参照)における蓄熱壁123とケーシング124との間に断熱材層130が設けられた場合を例示しているが、実施形態2の定着装置(図6参照)における潜熱壁223とケーシング124との間に断熱材層130を設けてもよい。なお、断熱材層130の材料としては、耐熱性に優れたものであれば特に限定されず、例えば、グラスウール、ロックウール、ウレタンフォーム、発泡ゴム等が挙げられる。
蓄熱材層123aの外面側に断熱材層130を設けることにより、蓄熱材層123aが蓄えた熱が定着ローラ121と反対側へ逃げるのを断熱材層130にて抑制することができるため、省エネルギー性能がさらに向上すると共に、定着時の立ち上がり時間がより短縮する。
(まとめ)
本発明の定着装置は、加熱される定着ローラと、前記定着ローラとニップ部を形成するように前記定着ローラと対向する位置に配置された加圧ローラと、少なくとも前記定着ローラの周囲に配置された蓄熱壁とを備え、未定着トナー像を有する記録用紙が、加熱された前記定着ローラと前記加圧ローラとの間の前記ニップ部に搬送されることにより、未定着トナー像を記録用紙に定着させるよう構成され、
前記蓄熱壁は、前記定着ローラから放出された熱を蓄熱可能であると共に、前記定着ローラに向けて放熱可能に構成される。
本発明の定着装置は、次のように構成されてもよく、それらが適宜組み合わされてもよい。
(1)前記蓄熱壁が、蓄熱材層と、この蓄熱材層を被覆する被覆体とを有してもよい。
この場合、蓄熱材を被覆体にて被覆(収容)することによって蓄熱材層を形成しかつ保持することができる。また、このようにすれば、厚みを薄くしながら広い面積の蓄熱材層を形成することができるため、蓄熱および放熱を効率よく行うことができる。
(2)前記蓄熱材層が、潜熱を蓄熱する潜熱蓄熱材層を有してもよい。
このようにすれば、蓄熱密度を大きくすることができるため、効率のよい蓄熱を行うことができる。
(3)前記(2)の場合、前記潜熱蓄熱材層が、温度が異なる潜熱を蓄熱可能な複数の潜熱蓄熱材層からなるのもよい。
このようにすれば、温度が異なる潜熱を複数の潜熱蓄熱材層にて蓄熱することができるため、広い温度範囲の熱を蓄熱に利用することが可能となる。
(4)前記潜熱蓄熱材層が、高温域の蓄熱が可能な第1潜熱蓄熱材層と、中温域の蓄熱が可能な第2潜熱蓄熱材層とを有し、
前記第1潜熱蓄熱材層は前記定着ローラ側に配置され、前記第2潜熱蓄熱材層は前記定着ローラと反対側に配置されてもよい。
このようにすれば、定着時の高温を第1潜熱蓄熱材層にて蓄熱し、中温の熱を第2潜熱蓄熱材層にて蓄熱することができるため、高効率な蓄熱が可能であると共に、定着時の立ち上げ時間をより短縮することが可能となる。
(5)前記蓄熱材層の外面側に配置される断熱材層をさらに備えてもよい。
このようにすれば、蓄熱材層が蓄えた熱が定着ローラと反対側へ逃げるのを断熱材層にて抑制することができるため、省エネルギー性能がさらに向上すると共に、定着時の立ち上がり時間がより短縮する。
(6)前記潜熱蓄熱材層が、液状過冷却状態を保持可能な潜熱蓄熱材層を有してもよい。この場合、液状過冷却状態の前記潜熱蓄熱材層に刺激を与えて固体に相変化させる刺激付与部をさらに備えてもよい。
このようにすれば、刺激付与部にて液状過冷却状態の潜熱蓄熱材層に刺激を与えることにより、潜熱蓄熱材層の状態が過冷却から凝固に変化し、この際に潜熱蓄熱材層から凝固熱が外部へ放出される。よって、刺激付与部を操作することで潜熱蓄熱材層が蓄えた熱を、定着ローラを加熱するタイミングで取り出すことができる。この結果、省エネルギー性能がより一層向上すると共に、定着時の立ち上がり時間をより短縮することができる。
(7)前記(6)の場合、定着装置が、刺激付与部を制御する制御部を備えていてもよい。
この場合、例えば、温度センサが検知する温度が設定温度以下になった時、あるいは制御部の制御により圧電素子に電力を供給して作動させて金属片を振動させることにより、定着動作開始時、あるいはその両方の時に、制御部の制御によりヒータに電力を供給して作動させ、それにより刺激付与部であるバイメタルを加熱して曲げることにより、または、制御部の制御により圧電素子に電力を供給して作動させて金属片を振動させることにより、液状過冷却状態の潜熱蓄熱材層に刺激を与えて凝固させ、それにより凝固熱を取り出すことができる。
(8)前記蓄熱壁が、前記定着ローラと前記加圧ローラとの両方を包囲するよう構成されてもよい。
このようにすれば、定着ローラから加熱ローラ側へ放出した熱も蓄熱壁にて蓄熱することができるため、省エネルギー性能がより一層向上すると共に、定着時の立ち上がり時間をより短縮することができる。
また、本発明の画像形成装置は、表面に静電潜像が形成される感光体ドラムと、該感光体ドラムの表面を帯電させる帯電装置と、前記感光体ドラムの表面に静電潜像を形成する露光装置と、前記感光体ドラムの表面の静電潜像にトナーを供給してトナー像を形成する現像装置と、前記感光体ドラムの表面のトナー像を記録用紙に転写する転写装置と、記録用紙に転写された未定着トナー像を記録用紙に定着させる前記定着装置とを備える。
なお、開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
1 露光ユニット
2、2a〜2d 現像器
3、3a〜3d 感光体ドラム
5、5a〜5d 帯電器
8 中間転写ベルトユニット
12 定着装置
121 定着ローラ
122 加圧ローラ
123、223、蓄熱壁
123a 蓄熱材層
123a1 潜熱蓄熱材層
123b、223b1、223b2 被覆体
223a1 第1潜熱蓄熱材層
223a2 第2潜熱蓄熱材層
N ニップ部
P 記録用紙
T 未定着トナー

Claims (5)

  1. 加熱される定着ローラと、前記定着ローラとニップ部を形成するように前記定着ローラと対向する位置に配置された加圧ローラと、少なくとも前記定着ローラの周囲に配置された蓄熱壁とを備え、未定着トナー像を有する記録用紙が、加熱された前記定着ローラと前記加圧ローラとの間の前記ニップ部に搬送されることにより、未定着トナー像を記録用紙に定着させるよう構成され、
    前記蓄熱壁は、前記定着ローラから放出された熱を蓄熱可能であると共に、前記定着ローラに向けて放熱可能に構成されたことを特徴とする定着装置。
  2. 前記蓄熱壁が、蓄熱材層と、この蓄熱材層を被覆する被覆体とを有する請求項1に記載の定着装置。
  3. 前記蓄熱材層が、潜熱を蓄熱する潜熱蓄熱材層を有する請求項2に記載の定着装置。
  4. 前記潜熱蓄熱材層が、温度が異なる潜熱を蓄熱可能な複数の潜熱蓄熱材層からなる請求項3に記載の定着装置。
  5. 表面に静電潜像が形成される感光体ドラムと、該感光体ドラムの表面を帯電させる帯電装置と、前記感光体ドラムの表面に静電潜像を形成する露光装置と、前記感光体ドラムの表面の静電潜像にトナーを供給してトナー像を形成する現像装置と、前記感光体ドラムの表面のトナー像を記録用紙に転写する転写装置と、記録用紙に転写された未定着トナー像を記録用紙に定着させる請求項1〜4のいずれか1つに記載の定着装置とを備えた画像形成装置。
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