JP2022057012A - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造を複雑化させずに、加熱ローラー及び断熱部材の熱膨張による不具合を抑制することを目的とする。【解決手段】定着装置９は、加熱ローラー２１と、加熱ローラー２１との間にシートＳを挟持する加圧ローラー２７と、加熱ローラー２１を加熱する加熱部と、加熱ローラー２１の軸方向の端部の外周面に設けられ、加熱ローラー２１から伝達される熱に対する耐熱性を有し、加熱ローラー２１の軸方向の内側ほど外径が小さい傾斜形状の断熱部材３１と、断熱部材３１を介して加熱ローラー２１を支持する軸受２２と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、シートにトナーを定着させる定着装置及び定着装置を備える画像形成装置に関する。

電子写真方式の画像形成装置においてシートにトナーを定着させる定着装置の一形態として、筒状の加熱ローラーを備えるものが知られている。加熱ローラーは、軸受を介してハウジングに支持される。この構成の場合、軸受を介して加熱ローラーから熱が逃げるため、消費電力が増加するという問題がある。また、加熱ローラーから逃げる熱により軸受が熱膨張して回転精度が低下するという問題がある。

そこで、従来、加熱ローラーの軸部と軸受との間に耐熱性の断熱部材を設けることで、加熱ローラーから軸受への熱の移動を抑制することが行われている。図１０は、従来の定着装置１００の加熱ローラー１０１の軸方向の一端部の断面図である。図１１は、従来の断熱部材１０５の斜視図である。加熱ローラー１０１は、金属を用いて筒状に形成されており、ヒーター（図示省略）により加熱される。加圧ローラー１０２は、芯金とゴム等で形成された弾性層とを備える。軸受１０３は、ボールベアリングであり、ハウジング１０４に固定されている。断熱部材１０５は、耐熱性を有する樹脂を用いて筒状に形成されており、軸受１０３の内輪と加熱ローラー１０１との間に設けられ、加熱ローラー１０１に追従して回転する。断熱部材１０５には、周方向の熱膨張を吸収するスリット部１０６が設けられている。

ところが、加熱ローラー１０１は、径方向Ｒ及び軸方向Ａに熱膨張する。これに対して、軸受１０３は、ハウジング１０４に固定されているため、位置が変化せず、また、断熱部材１０５により断熱されているため、熱膨張も無視できるほど小さい。そのため、断熱部材１０５には、径方向Ｒの圧縮応力σと、軸方向Ａのせん断応力τが発生し、軸受１０３の回転に対する抵抗が増加する。また、加熱ローラー１０１は、加圧ローラー１０２から荷重Ｆで押圧されているため、微小に弓なりに撓んだ状態で回転する。そのため、断熱部材１０５の圧縮応力σとせん断応力τは、加圧ローラー１０２から遠いほど大きくなる。その結果、スリット部１０６が加圧ローラー１０２から遠ざかるにつれてスリット部１０６の幅が広くなり、スリット部１０６が加圧ローラー１０２に近づくにつれてスリット部１０６の幅が狭くなるという周期的な変形が発生し、振動、異音、滑り、偏摩耗等の不具合が発生するおそれがある。

そこで、従来、このような不具合を抑制するための対策が検討されている。例えば、特許文献１には、断熱スリーブが円周方向の一箇所で分断するスリット部を有し、スリット部の両側の合い口が互いに軸方向に重なる形状である定着装置が記載されている。特許文献２には、軸方向に所定間隔を隔てて第１軸受の軸方向両端部とローラー軸との間に配置される第１ブッシュ及び第２ブッシュを備え、第２ブッシュの外周面の一部が第１軸受の外側から内側に向かってテーパー状に形成され、第２ブッシュがコイルバネによって第１軸受の外側から内側に向かって付勢される定着装置が記載されている。特許文献３では、互いにテーパー嵌合する断熱ブッシュを組み込むとともに、これらの断熱ブッシュをローラーの軸方向に付勢するための圧縮コイルバネを設けた定着装置が記載されている。

特開２００１－５６０２０号公報 特開２０１０－２２４３３１号公報 特開平６－３３７６０８号公報

しかし、特許文献１に記載された構成では、断熱部材の応力集中を抑制することはできない。特許文献２、３に記載された構成では、構造が複雑化してしまう。

本発明は、上記事情を考慮し、構造を複雑化させずに、加熱ローラー及び断熱部材の熱膨張による不具合を抑制することのできる定着装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る定着装置は、加熱ローラーと、前記加熱ローラーとの間にシートを挟持する加圧ローラーと、前記加熱ローラーを加熱する加熱部と、前記加熱ローラーの軸方向の端部に嵌合し、前記加熱ローラーから受ける熱に対する耐熱性を有し、前記加熱ローラーの前記軸方向の内側ほど外径が小さい傾斜形状の断熱部材と、前記断熱部材を介して前記加熱ローラーを支持する軸受と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る定着装置において、前記断熱部材の前記傾斜形状は、前記加熱ローラーの前記軸方向の熱膨張により前記断熱部材が前記軸方向の外側に移動しても、前記断熱部材の径方向の熱膨張により前記軸受との接触が維持される角度に形成されていてもよい。

本発明に係る定着装置において、前記軸方向に対する前記傾斜形状の傾斜角は、１°以上２°以下であってもよい。

本発明に係る定着装置において、前記断熱部材の前記軸方向の外側の面との間に間隔を空けて前記加熱ローラーの外周面に設けられた規制部材を備えていてもよい。

本発明に係る定着装置において、前記断熱部材は、前記軸受の前記軸方向の外側の面に対向するフランジ部を備えていてもよい。

本発明に係る定着装置において、前記断熱部材は、前記軸方向に貫通したスリット部を備えていてもよい。

また、本発明に係る画像形成装置は、前記シートにトナー像を形成する作像装置と、前記シートに前記トナー像を定着させる前記のいずれかの定着装置と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、構造を複雑化させずに、加熱ローラー及び断熱部材の熱膨張による不具合を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るプリンターの内部構成を模式的に示す正面図である。 本発明の一実施形態に係る定着装置の断面図である。 本発明の一実施形態に係る定着装置の断面図である。 本発明の一実施形態に係る定着装置の軸方向の端部の断面図である。 本発明の一実施形態に係る断熱部材の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る断熱部材の平面図である。 本発明の一実施形態に係る断熱部材の断面図である。 加熱ローラーが加熱される前の状態を示す断面図である。 加熱ローラーと断熱部材に熱膨張が発生した様子を示す断面図である。 図８よりも熱膨張が進行した様子を示す断面図である。 従来の定着装置の加熱ローラーの軸方向の一端部の断面図である。 従来の断熱部材の斜視図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の一実施形態に係る定着装置７及びプリンター１（画像形成装置の一例）について説明する。

最初に、プリンター１の全体の構成について説明する。図１は、プリンター１の内部構成を模式的に示す左側面図である。以下、図１におけるＦｒ側をプリンター１の正面側（前側）とし、左右の向きはプリンター１を正面から見た方向を基準として説明する。各図において、Ｕ、Ｌｏ、Ｌ、Ｒ、Ｆｒ、Ｒｒは、それぞれ上、下、左、右、前、後を示す。

プリンター１は、直方体状の本体ハウジング３を備える。本体ハウジング３の下部には、シートＳが収容される給紙カセット４と、給紙カセット４からシートＳを送り出す給紙ローラー５が設けられている。給紙カセット４の上方には、電子写真方式にてトナー像を形成する作像装置６と、トナー像をシートＳに定着させる定着装置７が設けられている。本体ハウジング３の上部には、トナー像が定着されたシートＳを排出する排出ローラー対８と、排出されたシートＳが積載される排出トレイ９が設けられている。

作像装置６は、光の照射により電位が変化する感光体ドラム１１、放電により感光体ドラム１１を帯電させる帯電装置１２、画像データに応じたレーザー光を出射する露光装置１３、感光体ドラム１１にトナーを供給する現像装置１４、転写バイアスを発生する転写ローラー１５及び感光体ドラム１１に残留したトナーを除去するクリーニング装置１６を備える。現像装置１４には、現像装置１４にトナーを供給するトナーコンテナ２０が接続されている。

本体ハウジング３の内部には、給紙ローラー５から作像装置６、定着装置７を経て排出ローラー対８に至る搬送路１０が設けられている。搬送路１０には、シートＳを搬送する複数の搬送ローラー対１７が設けられている。作像装置６よりも搬送方向上流側には、レジストローラー対１８が設けられている。

プリンター１の各部は、制御部２によって制御される。制御部２は、プロセッサーとメモリーとを備える。プロセッサーは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）である。メモリーは、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）等の記憶媒体を含む。プロセッサーは、メモリーに記憶されている制御プログラムを読み出して実行することで各種処理を実施する。なお、制御部２は、ソフトウェアを用いない集積回路によって実現されてもよい。

次に、プリンター１の画像形成動作の概要について説明する。外部のコンピューター等からプリンター１に印刷ジョブが入力されると、給紙ローラー５が給紙カセット４から搬送路１０にシートＳを送り出し、回転が停止されたレジストローラー対１８がシートＳの斜行を補正し、レジストローラー対１８が所定のタイミングで作像装置６にシートＳを送り出す。作像装置６においては、帯電装置１２が感光体ドラム１１を所定の電位に帯電させ、露光装置１３が感光体ドラム１１に潜像を書き込み、現像装置１４がトナーコンテナ２０から供給されたトナーを用いて潜像を現像することでトナー像を形成し、転写ローラー１５がトナー像をシートＳに転写する。続いて、定着装置７がシートＳを挟持して搬送しながらトナー像を溶融させることでトナー像をシートＳに定着させ、排出ローラー対８が排出トレイ９にシートＳを排出する。クリーニング装置１６は、感光体ドラム１１に残留したトナーを除去する。

［定着装置］
次に、定着装置７の構成について詳細に説明する。図２、３は、定着装置７の断面図である。図４は、定着装置７の軸方向の端部の断面図である。図５Ａは、断熱部材３１の斜視図である。図５Ｂは、断熱部材３１の平面図である。図６は、断熱部材３１の断面図である。

定着装置７は、加熱ローラー２１と、加熱ローラー２１との間にシートＳを挟持する加圧ローラー２７と、加熱ローラー２１を加熱する加熱部２３と、加熱ローラー２１の軸方向の端部の外周面に設けられ、加熱ローラー２１から伝達される熱に対する耐熱性を有し、加熱ローラー２１の軸方向の内側ほど外径が小さい傾斜形状の断熱部材３１と、断熱部材３１を介して加熱ローラー２１を支持する軸受２２と、を備える。なお、本実施形態では、加熱ローラー２１の下側に加圧ローラー２７が位置する姿勢で定着装置７が配置された例を示すが、定着装置７はいかなる姿勢で配置されてもよい。また、断熱部材３１については、主に右側の断熱部材３１について説明するが、左側の断熱部材３１も、左右が反対になる以外は右側の断熱部材３１と同様の形状を有している。

［加熱ローラー］
加熱ローラー２１は、左右方向を長手方向とする円筒形の部材であり、アルミニウム合金やステンレス鋼等の薄肉管が用いられている。加熱ローラー２１は、軸方向（左右方向）の中央に位置する本体部２１Ｂと、軸方向の両端に位置する軸部２１Ａと、を備える。本体部２１Ｂは、シートＳに接触する部分であり、その外周面には、フッ素樹脂等で形成された離形層（図示省略）が設けられている。軸部２１Ａの径は、本体部２１Ｂよりも小さい。

［加圧ローラー］
加圧ローラー２７は、左右方向を長手方向とする円柱形又は円筒形の芯金２７Ｃと、芯金２７Ｃの外周面に形成された弾性層２７Ｅと、弾性層２７Ｅの外周面に形成された離形層（図示省略）と、を有する。芯金２７Ｃは、アルミニウム合金やステンレス鋼等の金属で形成されている。弾性層２７Ｅは、シリコーンゴム等で形成されている。離型層は、フッ素樹脂等で形成されている。芯金２７Ｃの左右の両端部には、軸受２８が装着されており、軸受２８は、上下方向に移動可能な機構（図示省略）に支持されている。加圧ローラー２７は、軸受２８を介してばね等の付勢部材（図示省略）によって上方に押圧力Ｆで付勢されることで加熱ローラー２１に押し当てられ、加熱ローラー２１と加圧ローラー２７とが面接触する加圧領域Ｎを形成する。駆動部２９は、モーターやギア列を備え、加圧ローラー２７を回転させる。加熱ローラー２１は、加圧ローラー２７に追従して回転する。

［加熱部］
加熱部２３は、左右方向を長手方向とする棒状のハロゲンヒーターであり、ガラス管２３Ｇと、ガラス管２３Ｇに収容されたフィラメント２３Ｆと、を備え、加熱ローラー２１の内部に配置される。

［断熱部材］
断熱部材３１は、左右方向に貫通する中空部を備える筒状部３１Ｃと、筒状部３１Ｃの右端部に設けられたフランジ部３１Ｆと、筒状部３１Ｃ及びフランジ部３１Ｆを左右方向に貫通するスリット部３１Ｓと、を備える。断熱部材３１は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）等の樹脂で形成され、熱変形温度２２０℃以上の耐熱性を有する。筒状部３１Ｃの外周面は、軸受２２の内周面の全域に対向する。筒状部３１Ｃの外周面は、軸方向の全域にわたって、加熱ローラー２１の軸方向の内側ほど外径が小さくなる傾斜形状を有する。断熱部材３１の傾斜形状は、加熱ローラー２１の軸方向の熱膨張により断熱部材３１が軸方向の外側に移動しても、断熱部材３１の径方向の熱膨張により軸受２２との接触が維持される角度に形成されている。軸方向に対する傾斜形状の傾斜角は、１°以上２°以下が望ましい。

［軸受］
軸受２２は、例えば、ボールベアリングである。定着装置７は、ハウジング３０に収容されており、軸受２２は、ハウジング３０に固定されている。

［規制部材］
規制部材３２は、断熱部材３１の軸方向の外側の面（フランジ部３１Ｆ）との間に間隔を空けて加熱ローラー２１の外周面に設けられている。規制部材３２は、例えば、金属や樹脂を用いて形成された環状の部材である。規制部材３２は、Ｃリングでもよい。加熱ローラー２１の軸部２１Ａの外周面には、規制部材３２が嵌め込まれる周方向の溝部２１Ｃが形成されている。

次に、熱による断熱部材３１の挙動について説明する。ここでは、加熱ローラー２１の右側の部分について説明するが、左側の部分も、左右が反対になる以外は右側と同様の挙動を示す。

図７は、加熱ローラー２１が加熱される前の状態を示す断面図である。加熱前においては、断熱部材３１のフランジ部３１Ｆが軸受２２に最も接近している。フランジ部３１Ｆは、軸受２２に接触していてもよく、軸受２２に接触していなくてもよいが、軸受２２に接触していない場合でもフランジ部３１Ｆと軸受２２との間隙は無視できるほど小さい。筒状部３１Ｃの外周面は、軸方向の内側ほど外径が小さくなる傾斜形状を有するため、フランジ部３１Ｆ付近のみが、軸受２２の内周面に接触している。フランジ部３１Ｆと規制部材３２との間には、１ｍｍ以下の間隙Ｇ１が設けられている。

図８は、加熱ローラー２１と断熱部材３１に熱膨張が発生した様子を示す断面図である。軸受２２に対して加熱ローラー２１の軸部２１Ａと断熱部材３１が軸方向Ａに移動するため、フランジ部３１Ｆと軸受２２との間に間隙Ｇ２が形成される。ここで、断熱部材３１は、軸方向の内側ほど外径が小さくなる傾斜形状を有するが、断熱部材３１の傾斜形状は、加熱ローラー２１の軸方向の熱膨張により断熱部材３１が軸方向の外側に移動しても、断熱部材３１の径方向Ｒの熱膨張により軸受２２との接触が維持される角度に形成されている。従って、断熱部材３１と軸受２２との間に隙間ができて回転が不安定になることはない。また、一般に、樹脂の線膨張係数は、金属よりも大きいため、断熱部材３１の膨張量は、加熱ローラー２１よりも大きくなる。そのため、フランジ部３１Ｆと規制部材３２との間隙Ｇ１は、加熱前よりも小さくなる。

このように、本実施形態は、断熱部材３１の軸方向及び径方向の熱膨張をある程度許容するように構成されているため、断熱部材３１の径方向の圧縮応力と軸方向のせん断応力の増加が抑制される。その結果、軸受２２の回転に対する抵抗の増加や、周方向の周期的な変形による振動、異音、滑り、偏摩耗等の不具合を抑制することができる。

図９は、図８よりも熱膨張が進行した様子を示す断面図である。軸受２２に対して加熱ローラー２１の軸部２１Ａと断熱部材３１がさらに右方向に移動するため、フランジ部３１Ｆと軸受２２との間隙Ｇ２は、図８のときよりも大きくなる。また、断熱部材３１は径方向にもさらに熱膨張するため、断熱部材３１と軸受２２との接触は維持される。また、フランジ部３１Ｆと規制部材３２との間隙Ｇ１が消失し、フランジ部３１Ｆが規制部材３２に接触する。従って、これ以降、さらに熱膨張が進行したとしても、断熱部材３１と軸受２２との間に隙間ができて回転が不安定になることを防ぐことができる。

以上説明した本実施形態に係る定着装置７によれば、加熱ローラー２１の軸方向の内側ほど外径が小さい傾斜形状の断熱部材３１を備えるから、構造を複雑化させずに、加熱ローラー２１及び断熱部材３１の熱膨張による不具合を抑制することができる。

また、本実施形態に係る定着装置７によれば、断熱部材３１の傾斜形状は、加熱ローラー２１の軸方向の熱膨張により断熱部材３１が軸方向の外側に移動しても、断熱部材３１の径方向の熱膨張により軸受２２との接触が維持される角度に形成されているから、断熱部材３１と軸受２２との間に隙間ができて回転が不安定になることを防ぐことができる。

また、本実施形態に係る定着装置７によれば、断熱部材３１の軸方向の外側の面との間に間隔を空けて加熱ローラー２１の外周面に設けられた規制部材３２を備えるから、断熱部材３１が軸方向に移動し過ぎて軸受２２との間に隙間ができることで回転が不安定になることを防ぐことができる。

また、本実施形態に係る定着装置７によれば、断熱部材３１は、軸受２２の軸方向の外側の面に対向するフランジ部３１Ｆを備えるから、温度が低下したときに断熱部材３１が軸方向の内側へ入り込むことを防ぐことができる。

また、本実施形態に係る定着装置７によれば、断熱部材３１は、軸方向に貫通したスリット部３１Ｓを備える。スリット部３１Ｓは、周方向の熱膨張を吸収する効果を奏するが、断熱部材３１の周方向の周期的な変形による振動、異音、滑り、偏摩耗等の不具合が発生しやすい。よって、本発明は、この構成の場合に好適である。

上記実施形態が以下のように変形されてもよい。

上記実施形態では、筒状部３１Ｃの外周面が軸方向の全域にわたって傾斜形状を有する例が示されたが、筒状部３１Ｃの外周面のうち軸方向の外側の端部を含む一部分に傾斜形状を有していてもよい。

上記実施形態では、断熱部材３１に規制部材３２が設けられている例が示されたが、規制部材３２が設けられていなくてもよい。

上記実施形態では、断熱部材３１にフランジ部３１Ｆが設けられている例が示されたが、フランジ部３１Ｆに代えて、規制部材３２と同様の部材が、断熱部材３１の軸方向の内側の面に接するように加熱ローラー２１の外周面に設けられていてもよい。

上記実施形態では、断熱部材３１にスリット部３１Ｓが設けられている例が示されたが、断熱部材３１にスリット部３１Ｓが設けられていない定着装置７に本発明が適用されてもよい。

上記実施形態では、軸部２１Ａの径が本体部２１Ｂよりも小さい例が示されたが、軸部２１Ａの径が本体部２１Ｂと同じである定着装置７に本発明が適用されてもよい。

上記実施形態では、加熱部２３がハロゲンヒーターである例が示されたが、加熱部２３は、誘導加熱ヒーター等でもよい。

１ プリンター（画像形成装置）
６ 作像装置
７ 定着装置
２１ 加熱ローラー
２２ 軸受
２３ 加熱部
２７ 加圧ローラー
３１ 断熱部材
３１Ｆ フランジ部
３１Ｓ スリット部
３２ 規制部材

Claims (7)

1. 加熱ローラーと、
   前記加熱ローラーとの間にシートを挟持する加圧ローラーと、
   前記加熱ローラーを加熱する加熱部と、
   前記加熱ローラーの軸方向の端部に嵌合し、前記加熱ローラーから受ける熱に対する耐熱性を有し、前記加熱ローラーの前記軸方向の内側ほど外径が小さい傾斜形状の断熱部材と、
   前記断熱部材を介して前記加熱ローラーを支持する軸受と、を備えることを特徴とする定着装置。
2. 前記断熱部材の前記傾斜形状は、前記加熱ローラーの前記軸方向の熱膨張により前記断熱部材が前記軸方向の外側に移動しても、前記断熱部材の径方向の熱膨張により前記軸受との接触が維持される角度に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記軸方向に対する前記傾斜形状の傾斜角は、１°以上２°以下であることを特徴とする請求項２に記載の定着装置。
4. 前記断熱部材の前記軸方向の外側の面との間に間隔を空けて前記加熱ローラーの外周面に設けられた規制部材を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の定着装置。
5. 前記断熱部材は、前記軸受の前記軸方向の外側の面に対向するフランジ部を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の定着装置。
6. 前記断熱部材は、前記軸方向に貫通したスリット部を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の定着装置。
7. 前記シートにトナー像を形成する作像装置と、
   前記シートに前記トナー像を定着させる請求項１乃至６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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