JP2022054951A - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ヒータ21と、ヒータ21により加熱される定着フィルム24と、定着フィルム24とともにニップ部を形成する加圧ローラ30と、ヒータ21の定着フィルム24とは反対側の面に配置され、定着フィルム24の長手方向の温度分布を均熱化する均熱部材22と、を備え、均熱部材22の長手方向の中央を含む領域を領域α、領域αよりも長手方向において端部側の領域を領域β、領域βよりも長手方向において端部側の領域を領域γとする場合、均熱部材22の領域αの単位長さ当たりの熱容量をCα、領域βの単位長さ当たりの熱容量をCβ、領域γの単位長さ当たりの熱容量をCγとすると、Cα>Cβ、かつ、Cγ>Cβである。
【選択図】図5
Description
図1は、本実施例の定着装置102を備えた画像形成装置100の構成を示す断面図である。図1に示す画像形成装置100において、記録材Pにトナー像を形成する画像形成部101(図中、点線で囲まれた部分)は、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの色のトナー像を形成する、4つの画像形成ステーションPa、Pb、Pc、Pdを有している。更に、画像形成部101は、各画像形成ステーションPa、Pb、Pc、Pdに対応して設けられ、各画像形成ステーションの、後述する感光ドラムに静電潜像を形成するレーザスキャナ3a、3b、3c、3dを有している。各画像形成ステーションPa、Pb、Pc、Pdは、像担持体としての筒状の感光ドラム1a、1b、1c、1dと、帯電ローラ2a、2b、2c、2dと、現像ローラ41a、41b、41c、41dを備える現像器4a、4b、4c、4dを有している。各画像形成ステーションPa、Pb、Pc、Pdは同一の構成であり、各部材の末尾に付したa、b、c、dは画像形成ステーションPa、Pb、Pc、Pdの部材であることを示している。以下では、特定の画像形成ステーションの部材を指す場合を除き、符号末尾のa、b、c、dを省略する。帯電ローラ2は、感光ドラム1を一様な電位に帯電し、一様な電位に帯電された感光ドラム1に、レーザスキャナ3が画像データに応じてレーザ光を照射することにより、感光ドラム1上に画像データに応じた静電潜像が形成される。そして、現像器4が、感光ドラム1上の静電潜像に現像ローラ41でトナーを付着させることにより、感光ドラム1上にトナー像が形成される。感光ドラム1上に形成されたトナー像は、感光ドラム1に対向する位置に設けられた一次転写部材6により、図中矢印方向(時計回り方向)に回転する中間転写ベルト7に、順次、重畳して転写される。なお、中間転写ベルト7に転写されずに感光ドラム1上に残ったトナー像は、クリーナ5のクリーニングブレード51によって除去される。中間転写ベルト7に転写されたトナー像は、記録材Pに転写するために、二次転写ローラ8へと移動する。
図2は、本実施例の定着装置102の概略構成を示す断面図である。図3(a)は、定着装置102に用いるセラミックヒータ21の概略構成を示す模式断面図、図3(b)は、セラミックヒータ21を定着フィルム24のフィルム摺動面側から見たときの模式図である。また、図3(c)は、定着フィルム24の温度分布を均熱化する均熱部材22を定着フィルム24のフィルム非摺動面側から見たときの模式図である。図4は、セラミックヒータ21への電力供給を制御する制御系を説明するブロック図である。
図2に示すように、加熱ユニット20は、セラミックヒータ21(以下、ヒータ21という)、均熱部材22、サーミスタ23、筒状の定着フィルム24と、定着フィルムガイド25を有している。定着フィルムガイド25は、耐熱性材料を用いて、短手方向の断面が略凹字形状に形成されている。定着フィルムガイド25の加圧ローラ30と対向する側には、長手方向に沿って溝25Aが形成されており、ヒータ21及び均熱部材22は、定着フィルムガイド25の溝25Aに支持されている。
図2に示すように、加圧ローラ30は、鉄、SUS、アルミニウム等の金属材料からなる芯金30Aを有している。そして、芯金30Aの回転軸の外周面上には、シリコーンゴムなどを主成分とする弾性層30Bが形成されており、更に、弾性層30Bの外周面上には、PTFE、PFA又はFEPなどを主成分とする離型層30Cが形成されている。なお、芯金30Aの長手方向の両端部は、定着装置102のフレームに回転可能に支持されており、モータMによって駆動されるギアが固着されている。
次に、図2、図4を用いて、定着装置102の定着処理動作について説明する。図2において、定着装置102を制御する制御部50は、CPU(不図示)、CPUが実行するプログラムやデータを記憶したROM(不図示)、及び一時的なデータの記憶に用いるRAM(不図示)を有している。制御部50のCPUは、画像形成の開始を指示するプリント信号に応じて、モータMを駆動し、加圧ローラ30を図中矢印方向(反時計回り方向)に回転させる。加圧ローラ30の回転に追従して、加熱ユニット20の定着フィルム24は、定着フィルム24の内周面(内面)が、ヒータ21及び定着フィルムガイド25に摺動しながら、図中矢印方向(時計回り方向)に回転する。
定着装置102に最大通紙領域より幅の狭い小サイズの記録材Pを連続的に通紙させた場合には、定着フィルム24の温度は、記録材Pと接触する通紙部に比べ、記録材Pと非接触となる非通紙部の方がより高温になる。そのため、小サイズの記録材Pの通紙終了後に、定着装置102により幅広の記録材Pが通紙されると、通紙部と非通紙部との温度差による定着率の差によって、画質不良が生じるという課題がある。非通紙部昇温対策としては、ヒータ21と定着フィルムガイド25との間に均熱部材22を配置する方法があり、用いる均熱部材22の熱伝導率が高ければ高いほど、非通紙部の昇温をより抑制することができる。一方で、定着装置102の立ち上がり時間を短縮してFPOTを短縮するには、ヒータ21に接する部材の熱容量を小さくすることが効果的である。ところが、非通紙部昇温対策に均熱部材22を用いることは、均熱部材22が熱を奪うことにより、定着装置102の立ち上がり時間が延びることになってしまう。すなわち、非通紙部昇温の抑制とFPOTの短縮とは、トレードオフの関係にある。
図5(a)は、図3(c)に示す本実施例の構成例1の均熱部材22の概略構成を示す模式図、図5(b)は、図5(a)に示す均熱部材22の図中長手方向右側の端部近傍を拡大した模式図である。均熱部材22には、ヒータ21の温度を長手方向で均一化させるために、熱伝導性に優れた材料を用いることが望ましい。そのため、均熱部材22には、SUSやアルミ、アルミ合金、銅、銀、金、鉄、炭素鋼、グラファイト合金等の金属材料や、グラファイトシート等のカーボン材料のような熱伝導率が高く、必要以上の熱を奪わない適度な熱容量を有する材料が使用される。本実施例では、均熱部材22として、アルミを使用している。
上述したトレードオフの関係にある、非通紙部昇温の抑制とFPOTの短縮は、図5に示す本実施例の均熱部材22を用いることにより、非通紙部昇温を抑制すると共にFPOTも短縮させることができ、課題を解消することができる。
均熱部材22の熱容量は、材質の質量と比熱との積で表されるため、均熱部材22の長手方向の単位長さ当たりの熱容量は、次の(式1)により算出することができる。
単位長さ当たりの熱容量=定圧比熱×質量/長手方向長さ・・・(式1)
本実施例における熱伝導率の測定には、非定常熱線法を用いた。具体的には、測定装置QTM-500(京都電子工業社製)による非定常熱線法(プローブ法)によって熱伝導率の測定を行い、プローブにはPD-13を使用した。なお、熱伝導率λは、次の(式2)により算出することができる。
画像形成装置100において、温度15℃、湿度10%の環境下にて、測定対象の均熱部材22を装着した定着装置102を十分に冷却した状態で、非通紙部昇温の測定を行った。ここでは、A4サイズの坪量128g/m2のカラーレーザNPI上質厚紙(キヤノン社製)を最大スループットにて連続200枚プリントした場合の、定着フィルム24の表面温度の測定を行った。本来、カラーレーザNPI上質厚紙のような坪量の大きい記録材を使用する場合には、スループットを下げて通紙することが正しい運用方法である。本実験では、ユーザが記録材の坪量情報を間違えて入力した場合を想定して、意図的に最大スループットでプリントを行った。測定した定着フィルム24の表面温度の最高温度を、以下に示すAランク~Dランクにランク分けを行い、Bランク以上、すなわち、Aランク及びBランクに属する定着フィルム24の表面温度を、良好な非通紙部昇温とした。
(Aランク):231℃~235℃
(Bランク):236℃~240℃
(Cランク):241℃~245℃
(Dランク):246℃~250℃
画像形成装置100において、温度15℃、湿度10%の環境下にて、測定対象の均熱部材22を装着した定着装置102を十分に冷却した状態で、FPOTの測定を行った。ここでは、LTR(レター)サイズの坪量90g/m2のLASERJET PAPER(Hewlett-Packard社製)を、最大スループットにて1枚プリントした場合の、プリント開始からプリント完了までの時間の測定を行った。ただし、FPOTの測定において、いずれの均熱部材22の構成においても定着性が等しくなるように、記録材が定着装置102に突入するまでに要する時間を変化させた。そのため、定着装置102において、領域βにおける単位長さ当たりの熱容量が大きい構成の均熱部材22の場合には、均熱部材22の長手方向端部の温度が上昇しにくい。その結果、記録材が定着装置102に突入するまでの時間を長く取ることになり、FPOTが長くなる。プリント開始からプリント完了までに要した時間を、以下に示すAランク~Dランクにランク分けし、Bランク以上、すなわちAランク及びBランクを、良好なFPOTとした。
(Aランク):9.6秒~10.0秒
(Bランク):10.1秒~10.5秒
(Cランク):10.6秒~11.0秒
(Dランク):11.1秒~11.6秒
図7は、上述した図5に示す均熱部材22の構成例1の構成に準じているが、構成例1とは異なる構成の均熱部材22の構成(構成例2)を示す図である。図7(a)は、本実施例の構成例2の均熱部材22の概略構成を示す模式図、図7(b)は、図7(a)に示す均熱部材22の図中長手方向右側の端部近傍を拡大した模式図である。
図8は、従来例の構成の均熱部材22の構成を示す模式図である。図8において、均熱部材22の長手方向(図中左右方向)の長さは228mmであり、均熱部材22の短手方向(図中上下方向)の長さは7mmであり、厚さ(板厚)は0.3mmであり、均熱部材22の大きさは、構成例1、2と同じ大きさである。また、従来例の均熱部材22は、構成例1、2とは異なり、領域βに開口部を有しておらず、領域α、β、γの熱容量Cα、Cβ、Cγが同一であり、長手方向に熱容量の変化がない構成となっている。そのため、定着装置102の立上げ時に、定着フィルム24の長手方向端部において、ヒータ21の熱が均熱部材22に奪われることで、定着フィルム24の長手方向端部の温度が上がりにくい構成となっており、FPOTの短縮には不利な構成となっている。なお、図8において、本実施例における均熱部材22は、長手方向の中心を軸に左右対称であるため、鏡像の位置にある領域α、β、γ、及び単位長さ当たりの熱容量Cα、Cβ、Cγは、括弧付きで示している。
図9は、上述した図5、図7に示す均熱部材22の構成例1、2の構成に準じているが、構成例1、2とは異なる構成の均熱部材22の構成(比較例)を示す図である。図9において、均熱部材22の長手方向(図中左右方向)の長さは228mmであり、均熱部材22の短手方向(図中上下方向)の長さは7mmであり、厚さ(板厚)は0.3mmであり、均熱部材22の大きさは、構成例1、2と同じ大きさである。また、比較例の均熱部材22も、構成例1、2と同様に、領域α、領域β、領域γの3つの領域に分けられている。詳細には、領域αは、均熱部材22の長手方向中心から長手方向の端部に向かって95mmまでの領域であり、領域βは、領域αの長手方向の端部から均熱部材22の長手方向の端部に向かって13mmの領域である。また、領域γは、領域βの長手方向の端部から均熱部材22の長手方向の端部までの6mmの領域である。領域α、β、γの大きさは、構成例1とは異なるが、構成例2と同じ大きさである。
以下に示す表3は、上述した各々の構成の均熱部材22を装着した定着装置102を用いて、非通紙部昇温による定着フィルム24の最高温度、FPOTの測定結果、測定結果に基づく評価結果をまとめた表である。
図5に示す構成例1は、均熱部材22の単位長さ当たりの熱容量がCα>Cβ、かつ、Cγ>Cβを満たし、更に、開口部を有する領域βは、通紙可能な記録材Pの最大サイズ紙幅よりも長手方向の中央側に配置された構成になっている。その結果、表3に示すように、非通紙部昇温、FPOT共にAランクとなっている。
図7に示す構成例2は、均熱部材22の領域βに設けられた開口部の形状が、長手方向の端部に向かうにつれて、短手方向の長さが大きくなる二等辺三角形状を有している。そのため、領域βにおける単位長さ当たりの熱容量が長手方向の端部に向かって減少する構成となっている。このように、定着装置102の立上げ時に、定着フィルム24の長手方向端部で不足する熱量の勾配に合わせて、均熱部材22の領域βの熱容量に勾配を持たせることにより、FPOTが大きくならず、非通紙部昇温時の最高温度を下げることができている。その結果、表3に示すように、非通紙部昇温、FPOT共にAランクとなっている。
図8に示す従来例の構成は、開口部が設けられていないため、均熱部材22の各領域における熱容量が同一で、熱容量の変化がない構成となっている。構成例1、2のように開口部が設けられていないため、非通紙部昇温は構成例1、2よりも低い温度でAランクとなっており、非通紙部昇温の抑制には効果的な構成となっている。一方、定着装置102の立上げ時には、ヒータ21の熱は長手方向端部において、構成例1、2より多く均熱部材22に奪われる(移動する)ことになり、定着フィルム24の長手方向端部の温度が上がりにくくなる。その結果、構成例1、2のFPOT(10秒)に比べて、FPOTが11.5秒と長くなり、Dランクとなっている。
図9に示す比較例の構成は、均熱部材22の領域αと領域γとが、均熱部材22がない領域βで分断された構成となっている。そのため、定着装置102の立上げ時に、長手方向端部においてヒータ21の熱が均熱部材22に奪われにくく(伝導されにくく)、定着フィルム24の長手方向端部の温度が上がりやすい構成のため、FPOTは最も短い9.8秒でAランクとなっている。一方、均熱部材22において、領域αと領域γとが均熱部材を介して連結されていない。そのため、非通紙部昇温によって、通紙可能な記録材Pの最大サイズ紙幅よりも長手方向端部側の領域γの均熱部材22が加熱された際に、領域βの熱容量Cβが0.00と小さいために、均熱効果を得にくい構成となっている。その結果、非通紙部昇温時の最大温度が250℃と高くなり、Dランクとなっている。
本実施例の図5に示す構成(構成例1)の均熱部材22を装着した定着装置102を搭載した画像形成装置100では、非通紙部昇温評価、及びFPOT共にAランクであり、良好な結果が得られた。構成例1の均熱部材22の構成は、領域αの熱容量Cα>領域βの熱容量Cβ、かつ、領域γの熱容量Cγ>領域βの熱容量Cβを満足している。更に、構成例1の均熱部材22では、開口部26を有する領域βは通紙可能な記録材Pの最大サイズ紙幅よりも長手方向中央側に配置され、領域βにおける均熱部材22の熱伝導率はヒータ21の熱伝導率より大きくする構成としている。これにより、構成例1の均熱部材22は、非通紙部昇温の抑制とFPOTの短縮を両立させることができる。なお、領域βの開口部の形状が二等辺三角形状の開口部27を有する構成例2の均熱部材22を装着した定着装置102を搭載した画像形成装置100においても、構成例1と同様に、非通紙部昇温評価、及びFPOT共にAランクであった。
図5に示すように、本実施例の構成例1では、均熱部材22の領域βに開口部26を設けることで、領域αの熱容量Cα>領域βの熱容量Cβ、かつ、領域γの熱容量Cγ>領域βの熱容量Cβを満たしている。例えば、開口部を設けるのではなく、切り欠きを入れることで、上述した熱容量の大小関係を満足するようにしてもよい。図10(a)は、領域βの短手方向の両方の端部側に切り欠きを入れた構成の均熱部材22を示す模式図であり、図10(b)は、図10(a)に示す均熱部材22の図中長手方向右側の端部近傍を拡大した模式図である。図10に示す均熱部材22の領域βの構成は、図5に示す均熱部材22の領域βにおける均熱部材と開口部の関係が逆になった構成となっている。すなわち、図10に示す均熱部材22の領域βでは、図5に示す領域βの開口部の領域が均熱部材の領域となり、領域αと領域γとを連結している均熱部材の領域(連結部)が切り欠き部の領域となっている。また、均熱部材22の領域βに開口部や切り欠き部を設けるのではなく、例えば、領域βの板厚方向の厚みを領域α、領域γの厚みとは異なる厚みに変更することにより、上述した熱容量の大小関係を満足するようにしてもよい。いずれの構成であっても、単位面積当たりの熱容量がCα>CβかつCγ>Cβの大小関係を満足するという関係にあればよく、本発明は均熱部材22の形状を特定の形状に限定するものではない。
22 均熱部材
24 定着フィルム
30 加圧ローラ
Claims (12)
- 記録材上の未定着のトナー像を記録材に定着させる定着装置であって、
発熱体を有するヒータと、
前記発熱体により加熱される第1の回転体と、
前記第1の回転体とともにニップ部を形成する第2の回転体と、
前記ヒータの前記第1の回転体に対向する面とは反対側の面に隣接して配置され、前記第1の回転体の長手方向の温度分布を均熱する均熱部材と、
を備え、
前記均熱部材の前記長手方向の中央を含む領域を第1の領域、前記第1の領域よりも前記長手方向において端部側の領域を第2の領域、前記第2の領域よりも前記長手方向において端部側の領域を第3の領域とする場合、前記均熱部材の前記第1の領域の単位長さ当たりの熱容量をCα、前記第2の領域の単位長さ当たりの熱容量をCβ、前記第3の領域の単位長さ当たりの熱容量をCγとすると、
前記熱容量Cα>前記熱容量Cβ、かつ、前記熱容量Cγ>前記熱容量Cβ
であることを特徴とする定着装置。 - 前記第2の領域と前記第3の領域とは、前記長手方向の長さである幅が最大の記録材の端部が前記第1の回転体を通過する位置で隣接し、
前記第2の領域は、前記均熱部材を貫通する開口部、又は前記均熱部材を切り欠いた切り欠き部を有することを特徴とする請求項1に記載の定着装置。 - 前記第2の領域は、前記第2の領域の内側に前記第1の領域の端部と前記第3の領域の端部との間を前記均熱部材の短手方向に同一の長さで前記第2の領域を貫通する前記開口部を有し、前記第2の領域の前記短手方向のそれぞれの端部に前記第1の領域の端部と前記第3の領域の端部とに接続された連結部を有することを特徴とする請求項2に記載の定着装置。
- 前記第2の領域は、前記第2の領域の前記均熱部材の短手方向のそれぞれの端部に前記第1の領域の端部と前記第3の領域の端部との間を前記短手方向に同一の長さで前記第2の領域を切り欠いた前記切り欠き部を有し、前記第2の領域の内側に前記第1の領域の端部と前記第3の領域の端部とに接続された連結部を有することを特徴とする請求項2に記載の定着装置。
- 前記熱容量Cβは、一定であることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の定着装置。
- 前記第2の領域は、前記第2の領域の内側に前記第1の領域の端部と前記第3の領域の端部との間を前記均熱部材の短手方向の長さが前記第3の領域に向かって大きくなる前記第2の領域を貫通する前記開口部を有し、前記第2の領域の前記短手方向のそれぞれの端部に前記第1の領域の端部と前記第3の領域の端部とに接続された連結部を有することを特徴とする請求項2に記載の定着装置。
- 前記第2の領域は、前記第2の領域の前記均熱部材の短手方向のそれぞれの端部に、前記第1の領域の端部と前記第3の領域の端部との間を前記第3の領域に向かって前記短手方向の長さが大きくなる前記第2の領域を切り欠いた前記切り欠き部を有し、前記第2の領域の内側に前記第1の領域の端部と前記第3の領域の端部とに接続された連結部を有することを特徴とする請求項2に記載の定着装置。
- 前記連結部の前記短手方向の長さは、前記第1の領域の端部から前記第3の領域の端部に向かって小さくなることを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の定着装置。
- 前記熱容量Cβは、前記第1の領域の端部から前記第3の領域の端部に向かって小さくなることを特徴とする請求項5から請求項8のいずれか1項に記載の定着装置。
- 前記第1の回転体は、フィルムであることを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の定着装置。
- 前記発熱体は、前記フィルムの内面に接するように設けられており、
前記ニップ部は、前記フィルムを介して前記発熱体と前記第2の回転体により形成されていることを特徴とする請求項10に記載の定着装置。 - 記録材に未定着のトナー像を形成する画像形成手段と、
記録材上の未定着のトナー像を定着する請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の定着装置と、
を備えることを特徴とする画像形成装置。
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JP2020162244A JP7570868B2 (ja) | 2020-09-28 | 定着装置及び画像形成装置 | |
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Applications Claiming Priority (1)
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JP2020162244A JP7570868B2 (ja) | 2020-09-28 | 定着装置及び画像形成装置 |
Publications (2)
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US11579550B2 (en) | 2023-02-14 |
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