JP2017138499A - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】定着装置のウォームアップタイムを短縮し、消費電力を低く抑えるとともに、画質及び分離性を向上させる。
【解決手段】本発明は、回転可能に設けられる定着ベルト２１と、定着ベルト２１の外側に配置され、定着ベルト２１に圧接して定着ニップ２６を形成し、回転可能に設けられる加圧ローラ２２と、定着ニップ２６を通過した記録媒体を定着ベルト２１から分離させる分離部材２５と、定着ベルト２１の内側に配置され、定着ベルト２１を加圧ローラ２２側に向かって押圧するニップ形成部材２３と、を備え、ニップ形成部材２３は、定着ベルト２１を挟んで分離部材２５に対向する位置に設けられる吸熱部２７と、定着ベルト２１を挟んで定着ニップ２６に対向する位置に設けられる発熱部２８と、吸熱部２７で吸収した熱を発熱部２８に移動させる熱交換部２９と、を備えていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、定着装置及びこれを備える画像形成装置に関する。

従来、複写機やプリンター等の電子写真方式の画像形成装置は、用紙などの記録媒体にトナー像を定着させる定着装置を備えている。この定着装置には、熱効率や安全性などの観点から「熱ローラ方式」が広く使われている。熱ローラ方式とは、一対のローラを用いて定着ニップを形成する方式である。

しかし、熱ローラ方式の定着装置では、ローラが剛体であるため厚く、熱容量が大きいため、加熱するのに時間を要し、その結果、ウォームアップタイムが長くなったり、エネルギー消費量が大きくなったりするという不都合があった。

そこで、近年、ウォームアップタイムの短縮や省エネルギー化などの要請から、消費電力を極力低く抑えることができる定着方式として「ベルト方式」が注目されている。ベルト方式とは、ローラより薄い定着ベルトを用いて定着ニップを形成する方式である。

例えば、特許文献１には、定着ベルトの内側の加圧ローラと対向する位置に板状のニップ形成部材を設けた定着方式を有する画像形成装置が開示されている。この画像形成装置のニップ形成部材は、通紙方向上流側の発熱部と下流側の吸熱部とに分かれており、ヒートポンプを用いて下流側の吸熱部から熱を吸収し、上流側の発熱部に熱を放出することでニップ内でも加熱可能な構成になっている。

特開２００５−２６６３８６号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載の画像形成装置では、発熱部と吸熱部との両方が定着ベルトを挟んで加圧ローラと接する形になり、その分ニップ幅が広くなるため、加圧ローラ径を大きくする必要があり、その分ウォームアップ時間が長くなり、消費電力が増大してしまうという不都合がある。

また、通常、ニップ下流側部分には記録媒体を定着ベルトから分離させる分離部材が定着ベルトに近接或いは接触した状態で設けられており、良好な画質及び分離性を確保するためにはこの部分の温度を低くすることが望ましいが、上記した特許文献１に記載の画像形成装置では、この部分の温度を十分に低くすることが難しいという問題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、定着装置のウォームアップタイムを短縮し、消費電力を低く抑えるとともに、記録媒体の画質及び分離性を向上させることのできる定着装置及びこれを備える画像形成装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するため、本発明の定着装置は、回転可能に設けられる定着ベルトと、前記定着ベルトの外側に配置され、前記定着ベルトに圧接して定着ニップを形成し、回転可能に設けられる加圧ローラと、前記定着ニップを通過した記録媒体を前記定着ベルトから分離させる分離部材と、前記定着ベルトの内側に配置され、前記定着ベルトを前記加圧ローラ側に向かって押圧するニップ形成部材と、を備え、該ニップ形成部材は、前記定着ベルトを挟んで前記分離部材に対向する位置に設けられる吸熱部と、前記定着ベルトを挟んで前記定着ニップに対向する位置に設けられる発熱部と、前記吸熱部で吸収した熱を前記発熱部に移動させる熱交換部と、を備えていることを特徴とする。

このような構成を採用することにより、ニップ形成部材の発熱部のみが定着ベルトを挟んで加圧ローラに接することになるため、ニップ幅が小さくなり、小径の加圧ローラを用いても十分な加熱領域が得られるようになる。したがって、加圧ローラの熱容量を小さく設定することが可能となり、消費電力をより低く抑えることが可能になる。

また、このような構成を採用することにより、分離部材が近接或いは接触する定着ベルトとこの部分の記録媒体の温度を下げることができるため、トナーが硬化した後に記録媒体を定着ベルトから分離させることで分離性が向上し、ジャム（紙詰まり）を抑制することができる。また、画像が毛羽立たないため、光沢のある画像を得ることができる。

前記熱交換部はペルチェ素子であってもよく、このような構成を採用することにより、吸熱部と発熱部との間に電流を流すことでペルチェ効果により吸熱部の熱を発熱部に移動させることが可能となる。

本発明の定着装置は、前記ニップ形成部材を支持する支持部材と、前記支持部材と前記熱交換部との間に設けられる絶縁断熱部材と、を備えていてもよく、このような構成を採用することにより、前記ニップ形成部材から電流や熱が前記支持部材に移動するのを防止することができる。

本発明の定着装置は、前記発熱部を加熱する補助加熱部材を備えていてもよく、このような構成を採用することにより、定着装置の起動時等、吸熱部が低温で発熱部に十分な熱を移動させられない時等に、補助加熱部材を作動させることで、定着装置を素早く起動させることが可能となる。

本発明の定着装置は、前記定着ベルトの内側に配置される輻射発熱源を備えていてもよく、このような構成を採用することにより、定着ローラの熱容量が大きい場合にも輻射発熱源により効率良く定着ローラを加熱することができ、定着装置を素早く起動させることが可能となる。

本発明の画像形成装置は、上記したいずれかの定着装置を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、定着装置のウォームアップタイムを短縮し、消費電力を低く抑えるとともに、記録媒体の画質及び分離性を向上させることが可能となる等、種々の優れた効果を得ることができる。

本発明の一実施形態に係るプリンターの概略を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るプリンターの定着装置を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係るプリンターの定着装置を示す断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係るプリンターの定着装置を示す断面図である。

まず、図１を用いて、プリンター１（画像形成装置）の全体の構成について説明する。以下、説明の便宜上、図１における紙面手前側をプリンター１の前側（正面側）とする。

プリンター１は、箱型形状のプリンター本体２を備えており、プリンター本体２の下部には、用紙（記録媒体）を収納する給紙カセット３が収容され、プリンター本体２の上面には排紙トレイ４が設けられている。プリンター本体２の上面には、排紙トレイ４の側方に上カバー５が開閉可能に取り付けられ、上カバー５の下方にはトナーコンテナ６が収納されている。

プリンター本体２の上部には、レーザー・スキャニング・ユニット（ＬＳＵ）で構成される露光器７が排紙トレイ４の下方に配置され、露光器７の下方には、画像形成部８が設けられている。画像形成部８には、像担持体である感光体ドラム１０が回転可能に設けられており、感光体ドラム１０の周囲には、帯電器１１と、現像器１２と、転写ローラ１３と、クリーニング装置１４とが、感光体ドラム１０の回転方向（図１の矢印Ｘ参照）に沿って配置されている。

プリンター本体２の内部には、用紙の搬送経路１５が設けられている。搬送経路１５の上流端には給紙部１６が設けられ、搬送経路１５の中流部には、感光体ドラム１０と転写ローラ１３によって構成される転写部１７が設けられ、搬送経路１５の下流部には定着装置１８が設けられ、搬送経路１５の下流端には排紙部１９が設けられている。搬送経路１５の下方には、両面印刷用の反転経路２０が形成されている。

次に、このような構成を備えたプリンター１の画像形成動作について説明する。

プリンター１に電源が投入されると、各種パラメーターが初期化され、定着装置１８の温度設定等の初期設定が実行される。そして、プリンター１に接続されたコンピューター等から画像データが入力され、印刷開始の指示がなされると、以下のようにして画像形成動作が実行される。

まず、帯電器１１によって感光体ドラム１０の表面が帯電された後、露光器７からのレーザー光（図１の二点鎖線Ｐ参照）により感光体ドラム１０に対して画像データに対応した露光が行われ、感光体ドラム１０の表面に静電潜像が形成される。次に、この静電潜像を、現像器１２がトナーによりトナー像に現像する。

一方、給紙部１６によって給紙カセット３から取り出された用紙は、上記した画像形成動作とタイミングを合わせて転写部１７へと搬送され、転写部１７において感光体ドラム１０上のトナー像が用紙に転写される。トナー像を転写された用紙は、搬送経路１５を下流側へと搬送されて定着装置１８に進入し、この定着装置１８において用紙にトナー像が定着される。トナー像が定着された用紙は、排紙部１９から排紙トレイ４に排出される。なお、感光体ドラム１０上に残留したトナーは、クリーニング装置１４によって回収される。

次に、図２を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る定着装置１８について詳細に説明する。ここで、図２は本発明の一実施形態に係る定着装置１８を示す断面図である。以下、説明の便宜上、図２における紙面手前側を定着装置１８の前側（正面側）とする。また、図２の矢印Ｙは、用紙の搬送方向を示している。

定着装置１８は、定着フレーム（図示省略）に回転可能に支持される定着ベルト２１と、定着ベルト２１の外側において前記定着フレームに回転可能に支持される加圧ローラ２２と、定着ベルト２１の内側に配置されて定着ベルト２１を加圧ローラ２２側に向かって押圧するニップ形成部材２３と、定着ベルト２１の内側に配置されてニップ形成部材２３を支持する支持部材２４と、定着ベルト２１の外側において通紙方向下流側に配置される分離部材２５と、を主体として構成されている。

定着ベルト２１は、前後方向に長い略円筒状を成している。定着ベルト２１は、周方向に無端状に形成された可撓性を有するベルトであり、適度の剛性と弾性とを有し、概略円周状の軌道上を循環移動するようになっている。定着ベルト２１は、例えば、ニッケル、ステンレス鋼等の帯状の薄い金属の表面にフッ素コーティングを施したものや、ＰＩ（ポリイミド）などの耐熱樹脂にフッ素チューブを積層したものなどを好適に使用することができる。

加圧ローラ２２は、前後方向に長い略円筒状を成している。加圧ローラ２２は、例えば、円筒状の芯材と、この芯材に周設される弾性層と、この弾性層を被覆する離型層と、により構成されている。

加圧ローラ２２は、定着ベルト２１の下方に配置されている。加圧ローラ２２は、定着ベルト２１に圧接しており、定着ベルト２１と加圧ローラ２２の間には定着ニップ２６が形成されている。加圧ローラ２２が反時計回り（図２の矢印Ｃ参照）に回転すると、定着ベルト２１はその反対方向、すなわち時計回り（図２の矢印Ｄ参照）に従動回転するようになっている。

ニップ形成部材２３は、定着ベルト２１を挟んで分離部材２５に対向する位置に設けられる吸熱部２７と、定着ベルト２１を挟んで定着ニップ２６に対向する位置に設けられる発熱部２８と、吸熱部２７及び発熱部２８に接触する位置に設けられる熱交換部２９と、により構成されている。

吸熱部２７は、前後方向に長い板状を成しており、定着ニップ２６より通紙方向下流側において傾斜姿勢で配置されている。吸熱部２７は、例えば、導電性で耐熱性のある高熱伝導セラミックで形成されており、定着ベルト２１に内接している。

発熱部２８は、前後方向に長い板状を成しており、吸熱部２７より通紙方向上流側において水平姿勢で配置されている。発熱部２８は、例えば定着ベルト２１の幅と略同じ長さの導電性で耐熱性のある高熱伝導セラミックで形成され、加圧面である下面には摺動性の高いガラスコーティングが施されている。なお発熱部２８の下面には、ガラスコーティングの代わりに、例えばガラスクロスシートにフッ素コーティングを施した摺動シートを施した摺動シートを取り付けても構わない。

熱交換部２９は、前後方向に長い板状を成しており、吸熱部２７が接触する図示左側の傾斜面３０と、発熱部２８が接触する水平な下面３１と、を有している。熱交換部３０は、例えばペルチェ素子（熱電変換素子）であり、傾斜面３０は、通電されることにより降温する冷却面として機能し、下面３１は通電されることにより昇温する加熱面として機能する。これにより、熱交換部２９は、ペルチェ効果により、吸熱部２７が吸収した熱を発熱部２８に移動させるようになっている。

支持部材２４は、例えばステンレス鋼等の強度の高い材質で形成されている。支持部材２４は、熱交換部２９の上面３２に沿って前後方向に長い板状に形成される水平部３３と、熱交換部２９の図示右側鉛直面３４に沿って前後方向に長い板状に形成される鉛直部３５と、が直角を成して一体に形成されて構成されている。このように支持部材２４を形成することにより、ニップ形成部材２３へ加わる加圧ローラ２２の加圧力を支持部材２４で受け止めることができると共に、ニップ形成部材２３の反り等の変形を抑制することができる。

支持部材２４の水平部３３と熱交換部２９の上面３２との間、及び支持部材２４の鉛直部３５と熱交換部の鉛直面３４との間には、絶縁断熱部材３６が介装されている。絶縁断熱部材３６は、絶縁性且つ耐熱性を有する発泡セラミックにより形成されている。絶縁断熱部材３６は、図示左右方向に延伸する部分３７と上下方向に延伸する部分３８とが直交するように一体に形成されており、左右方向に延伸する部分３７と上下方向に延伸する部分３８とは支持部材２４のそれらよりそれぞれやや長く形成されている。これにより、吸熱部２７、発熱部２８、及び熱交換部２９から電流や熱が支持部材２４に移動するのを確実に抑制することができる。

分離部材２５は、定着ベルト２１を挟んで吸熱部２７の反対側に配置されている。分離部材２５は、定着ベルト２１からの用紙（記録媒体）の分離性を向上されるためには、定着ベルト２１に接触して設けられているのが好ましい。

上記した構成を備えた定着装置１８において、用紙にトナー像を定着させる場合、図２に矢印Ｃで示すように加圧ローラ２２が回転すると、図２に矢印Ｄで示すように加圧ローラ２２に圧接する定着ベルト２１が加圧ローラ２２とは反対方向に従動回転する。この状態で、図２に矢印Ｙで示すように用紙が定着ニップ２６を通過すると、発熱部２８により用紙及びトナー像に熱が加えられ、トナー像が溶融する。

定着ニップ２６を通過して溶融状態のトナーを担持した用紙は、分離部材２５により定着ベルト２１から分離されると共に吸熱部２７によって熱が吸収され、トナー像は硬化し、用紙に定着される。この時、吸熱部２７によって吸収された熱は、ペルチェ効果によって熱交換部２９から発熱部２８に移動し、発熱部２８から定着ニップ２６を通過する用紙に与えられ、再利用される。

上記した構成を備えた定着装置１８によれば、定着ベルト２１を挟んで分離部材２５の反対側に吸熱部２７が配置されているため、用紙を分離させる部分の定着ベルト２１と用紙の温度を下げることが可能となる。これにより、トナーが硬化した後に用紙を分離させることができるため、用紙の分離性を向上させることができ、ジャム（紙詰まり）の発生を抑制することができると共に、画像が毛羽立たないため、光沢のある画像を得ることができる。

また、ニップ形成部材２３の発熱部２８のみが定着ベルト２１を挟んで加圧ローラ２２に接触するため、小径の加圧ローラ２２を用いても十分な加熱領域が得られるようになる。したがって、加圧ローラ２２の熱容量を小さく設定することが可能となり、消費電力をより低く抑えることが可能になる。

次に、図３を参照しつつ、本発明の他の実施形態に係る定着装置４０について詳細に説明する。ここで、図３は本発明の他の実施形態に係る定着装置４０を示す断面図である。以下、説明の便宜上、図３における紙面手前側を定着装置４０の前側（正面側）とする。また、図３の矢印Ｙは、用紙の搬送方向を示している。なお、上記した一実施形態の定着装置１８と同様の構成については、図３中、図２と同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

本実施形態に係る定着装置４０は、上記した一実施形態に係る定着装置１８と基本的な構成は同一であるが、定着装置１８の基本的な構成に加えて、発熱部２８を加熱する補助加熱手段４１を備えている。

補助加熱手段４１は、例えばセラミック等の抵抗発熱体により構成されている。補助加熱手段４１は、定着ベルト２１の内側において、ニップ形成部材２３の外側に取り付けられている。補助加熱手段４１は、発熱部２８の通紙方向上流側部分を加熱するように設けられているのが好ましく、これにより、定着ニップ２６を通過する用紙をより安定して加熱することができる。

上記した構成を備えた定着装置４０によれば、定着装置４０の起動時等、ニップ形成部材２３の吸熱部２７が低温で発熱部２８に十分な熱を移動させられない時に補助加熱手段４１を作動させることで、定着装置４０を素早く起動させることが可能となるため、定着装置４０のウォームアップタイムを短縮し、消費電力を低く抑えることができる。

次に、図４を参照しつつ、本発明のさらに他の実施形態に係る定着装置５０について詳細に説明する。ここで、図４は本発明のさらに他の実施形態に係る定着装置５０を示す断面図である。以下、説明の便宜上、図４における紙面手前側を定着装置５０の前側（正面側）とする。また、図４の矢印Ｙは、用紙の搬送方向を示している。なお、上記した一実施形態の定着装置１８と同様の構成については、図４中、図２と同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

本実施形態に係る定着装置５０は、上記した一実施形態に係る定着装置１８と基本的な構成は同一であるが、定着装置１８の基本的な構成に加えて、定着ベルト２１の内側に輻射発熱源５１を備えている。

輻射発熱源５１は、例えばハロゲンヒーターにより構成されている。輻射発熱源５１は、支持部材２４の上方の空間に配置されている。この場合、支持部材２４の輻射発熱源５１の輻射熱が当たる部分の放射率は極力低くすることが望ましく、例えば支持部材２４の表面に鏡面メッキを施したり、鏡面メッキを施した薄板状のアルミ箔を若干の隙間を開けるように配置したりしてもよい。

また、定着ベルト２１の材質としては、例えば、ニッケル、ステンレス鋼等の帯状の薄い金属の表面にフッ素コーティングを施したものを使用するのが好ましい。これは、輻射発熱源５１としてハロゲンヒーターを用いた場合には、温度の上昇速度が速いため、金属の方が安全性がより高いからである。

上記した構成を備えた定着装置５０によれば、ニップ形成部材２３の熱容量が大きい場合であっても、定着ベルト２１の内部に設けられた輻射発熱源５１により効率良く定着ベルト２１を加熱することができ、定着装置５０を素早く起動させることが可能となるため、定着装置５０のウォームアップタイムを短縮し、消費電力を低く抑えることができる。

なお、上記した実施形態に係る定着装置５０では、輻射発熱源５１としてハロゲンヒーター用いる場合について説明したが、他の異なる実施形態では、セラミックヒーターなどを輻射発熱源として用いてもよい。この場合、温度の上昇速度はハロゲンヒーターと比べて速くないため、定着ベルト２１は、必ずしも金属製でなくても十分に安全性は確保することができるから、例えば、ＰＩ（ポリイミド）などの耐熱樹脂にフッ素チューブを積層したものなどを使用してもよい。

また、上記した各実施形態に係る定着装置１８，４０，５０では、分離部材２５と定着ベルト２１とが接触している場合について説明したが、他の異なる実施形態では、分離部材２４と定着ベルト２１とが接触している場合と同程度の用紙の離型性を確保することができるように、分離部材２４の先端が定着ベルト２１に近接して設けられていてもよい。

さらに、上記した各実施形態では、プリンター１に本発明の構成を適用する場合について説明したが、本発明は、複写機、ファクシミリ、複合機等の他の画像形成装置に適用することも可能であることは言う迄もない。

１ プリンター（画像形成装置）
１８ 定着装置
２１ 定着ベルト
２２ 加圧ローラ
２３ ニップ形成部材
２４ 支持部材
２５ 分離部材
２７ 吸熱部
２８ 発熱部
２９ 熱交換部
３６ 絶縁断熱部材
４０ 定着装置
４１ 補助加熱手段
５０ 定着装置
５１ 輻射発熱源

Claims (6)

1. 回転可能に設けられる定着ベルトと、
   前記定着ベルトの外側に配置され、前記定着ベルトに圧接して定着ニップを形成し、回転可能に設けられる加圧ローラと、
   前記定着ニップを通過した記録媒体を前記定着ベルトから分離させる分離部材と、
   前記定着ベルトの内側に配置され、前記定着ベルトを前記加圧ローラ側に向かって押圧するニップ形成部材と、
   を備え、該ニップ形成部材は、
   前記定着ベルトを挟んで前記分離部材に対向する位置に設けられる吸熱部と、
   前記定着ベルトを挟んで前記定着ニップに対向する位置に設けられる発熱部と、
   前記吸熱部で吸収した熱を前記発熱部に移動させる熱交換部と、
   を備えていることを特徴とする定着装置。
2. 前記熱交換部はペルチェ素子であることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記ニップ形成部材を支持する支持部材と、
   前記支持部材と前記熱交換部との間に設けられる絶縁断熱部材と、
   を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
4. 前記発熱部を加熱する補助加熱手段を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の定着装置。
5. 前記定着ベルトの内側に配置される輻射発熱源を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の定着装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の定着装置を備えていることを特徴とする画像形成装置。
   

Images