JP2023090805A - ヒータ、定着装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は実施例1の定着装置を搭載した一例の画像形成装置である、インライン方式のカラー画像形成装置を示す構成図である。図1を用いて電子写真方式のカラー画像形成装置の動作を説明する。なお、第1ステーションをイエロー(Y)色のトナー画像形成用のステーション、第2ステーションをマゼンタ(M)色のトナー画像形成用のステーションとしている。また、第3ステーションをシアン(C)色のトナー画像形成用のステーション、第4ステーションをブラック(K)色のトナー画像形成用のステーションとしている。
図2は画像形成装置の動作を説明するブロック図であり、この図を参照しながら画像形成装置の印刷動作について説明する。ホストコンピュータであるPC110は、画像形成装置の内部にあるビデオコントローラ91に対して印刷指令を出力し、印刷画像の画像データをビデオコントローラ91に転送する役割を担う。
実施例1に使用する定着装置50の断面を図3(a)、ヒータ54の裏面を図3(b)に示し、詳細を以下に説明する。定着装置50は、円筒状のフィルム51、フィルム51とともに定着ニップ部Nを形成する加圧ローラ53、加熱体であるヒータ54、ヒータ54を保持するニップ形成部材52、長手方向の強度を保持するためのステー60とで構成される。第1の回転体であるフィルム51は、膜厚50μmのポリイミド基材の上に、膜厚200μmのシリコーンゴム層、その上に、膜厚20μmのPFA離型層で構成される。第2の回転体である加圧ローラ53は、外径13mmのSUM芯金、その上に膜厚3.5mmのシリコーンゴム弾性層、さらにその上に膜厚40μmのPFA離型層で構成される。駆動源(不図示)により、加圧ローラ53を回転させ、フィルム51は加圧ローラ53の駆動を受け従動回転する。
図4に実施例1のヒータ54の構成を示し、以下に詳細を説明する。基板54aはアルミナ等で形成された板状のセラミック基板であり、寸法は、例えば、厚みt=1mm、幅W=6.3mm、長さl=280mmである。基板54a上に、発熱体54b1、54b2、54b3、54b4、導電経路である導体54c、電力を供給するための接点54d1、54d2、54d3、54d4、が印刷プロセスによって形成される。以下、発熱体54b1~54b4を発熱体54bと総称することもある。図4において、発熱体54bは白、導体54cは斜線、接点54d1~54d4は黒で表す。
前述したヒータ54における最長の幅の発熱体54b1、54b2の特徴について以下に説明する。定着装置50が十分に加熱された定着可能な状態(以下、通紙可能状態ともいう)にいち早く達することができれば、印刷物をユーザにいち早く提供できる。このため、どのサイズの用紙Pが選ばれてもよいように、長手方向の全域を加熱することが可能な最長の発熱体54b1、54b2の電力供給能力を最大とするのがよい。最長の発熱体54b1、54b2よりも長手方向の長さが短い発熱体54b3、54b4は、最長の発熱体54b1、54b2によって定着装置50が十分に加熱された後に使用される。よって、通紙時にトナー像を用紙Pに固着するための電力量が補えればよいので、発熱体54b3、54b4が使用される場合には、最長の発熱体54b1、54b2の高い電力供給能力に比べ、低い電力供給能力にするのが好ましい。
次に、最長でない2種類の発熱体54b3、54b4の特徴について以下に記す。発熱体54b3と発熱体54b4は、一方の端部は1つの接点54d3によって電気的に接続されている。一方、発熱体54b3と発熱体54b4は、他方の端部については、発熱体54b3は接点54d2に電気的に接続され、発熱体54b4は接点54d4に電気的に接続されている。すなわち、発熱体54b3と発熱体54b4は、どちらか一方が発熱するように構成されている。
図5に比較例1におけるヒータ200を示し、以下に詳細構成について説明する。基板207はアルミナ等で形成された板状のセラミック基板であり、寸法は厚みt=1mm、幅W=6.3mm、長さl=280mmである。基板207上に、発熱体201、202、導体254、接点203、204、205、206が印刷プロセスによって形成される。図5において、発熱体201、202を白、導体254を斜線、接点203~206を黒で表す。
図6(a)に実施例1、図6(b)に比較例1の電力供給回路を示し、この回路を使用して実施例1と比較例1との比較検証を実施する。それぞれの電力供給回路について、以下に説明する。図6(a)の実施例1において、接点54d1~54d4は、電力供給路を切り替えるための発熱体切り替え器57と接続されている。なお、発熱体切り替え器57によって電力供給路を切り替えることによって発熱する発熱体54bが切り替わるため、電力供給路を切り替えることを、発熱体54bを切り替えるとも表現する。実施例1では、発熱体切り替え器57は、具体的にはC接点構成の電磁リレー57a、57bである。
(i)過剰な電力が発熱体に供給された際の基板の変形量を推し量るため、実施例1及び比較例1それぞれの発熱体に交流電圧100Vを投入し続けた際の、電力投入から3秒後の基板の裏(A-A’線で示す位置)の温度プロファイルを測定した。温度プロファイルの最大値と最小値との差が大きければ大きいほど、基板の変形リスクが高いことを示す。
実施例1(1)は、基板54aの裏の最高温度は発熱体54b1又は発熱体54b2の近傍で472℃に達し、最低温度は2本の発熱体54b1、54b2の間で391℃であった。最高温度と最低温度との差は81℃であり、基板54a内の温度勾配は小さかった。実施例1(1)の最長の発熱体54b1、54b2は電力量を分散するために2本の構成とし、基板54aの短手方向の両端部に対称に配置し、2本の発熱体54b1、54b2は必ず同時に発熱するよう接点54d1、54d2を共通化している。これにより、基板54a内に発生する温度勾配を小さくすることができた。
実施例1(2)は、基板54aの裏の最高温度は発熱体54b3の近傍で271℃に達し、最低温度は発熱体54b3から遠い方の短手方向の端部で174℃であった。最高温度と最低温度との差は97℃であり、基板54a内の温度勾配は小さかった。実施例1(2)の2番目に長い発熱体54b3は、電力供給能力を必要最小にし、基板54aの短手方向のほぼ中央に可能な限り発熱体54b4と対称となるように配置したため、基板54a内に発生する温度勾配を小さくすることができた。
実施例1(3)は、基板54aの裏の最高温度は発熱体54b4の近傍で316℃に達し、最低温度は発熱体54b4から遠い方の短手方向の端部で196℃であった。最高温度と最低温度との差は120℃であった。実施例1(2)で説明した理由と同じ理由で、基板54a内に発生する温度勾配を小さくすることができた。
比較例1(1)は、基板207の裏の最高温度は発熱体201の近傍で673℃に達し、最低温度は発熱体201から遠い方の短手方向の端部で208℃であった。最高温度と最低温度との差は465℃であり、基板207内の温度勾配は大きかった。比較例1(1)では、最大の電力供給能力を付与する最長の発熱体201が1本で、基板207の短手方向の一方の端部に配置しているので、一方の端部の温度上昇が大きくなってしまった。
比較例1(2)は、基板207の裏の最高温度は発熱体202の近傍で341℃に達し、最低温度は発熱体202から遠い方の短手方向の端部で136℃であった。最高温度と最低温度との差は205℃であり、基板207内の温度勾配は大きかった。比較例1(1)の発熱体201に比べ発熱体202は電力供給能力が低いため、比較例1(1)より温度勾配は小さいものの、発熱体202を基板207の短手方向の一方の端部に配置しているので、一方の端部の温度上昇が大きくなってしまった。
(ii)図8に実施例1、比較例1のB5用紙、A5用紙の最大生産性の確認結果を示す。図8は、1列目に実施例1、比較例1を示し、2列目に発熱体のパターンを示す。発熱体パターンにはB5用紙の幅及びA5用紙の幅も示す。図8は、3列目にB5用紙を連続して印刷したときの最大の生産性を示し、4列目にA5用紙を連続して印刷したときの最大の生産性を示す。
実施例1においては、2本の最長の発熱体54b1、54b2を電気的に並列に接続し、同時に電力を供給する構成について、詳細を説明したが、この構成に限定されない。図9(a)はヒータ54の構成を示す図であり、図9(b)はヒータ54と電力制御部97を示す図である。図9(a)に示すように第1の接点54d1から、第1の発熱体54b1、第2の発熱体54b2、第2の接点54d3の順に電気的に直列に接続するヒータであってもよい。具体的には、発熱体54b1は、一端が接点54d1に接続され、他端が導体54cを介して接点を介することなく発熱体54b2の他端に接続される。発熱体54b2は、一端が接点54d3に接続され、他端が導体54cを介して接点を介することなく発熱体54b1の他端に接続される。発熱体54b3は、一端が接点54d1に接続され、他端が接点54d3に接続される。発熱体54b4は、一端が接点54d3に接続され、他端が接点54d4に接続される。
実施例1においては、最長でない発熱体54b3、54b4が2本の場合について詳細を説明したが、この構成に限定されない。例えば図10に示すように、最長でない発熱体が3本の構成であっても、実施例1で説明した同様の効果を発揮できる。すなわち、変形例2では、第4の発熱体である発熱体54b4よりも長手方向の長さが短い第5の発熱体である発熱体54b5を備える。発熱体54b1及び発熱体54b2は、一方の端部が共通の第1の接点である接点54d1に接続され、他方の端部が共通の第2の接点である接点54d2に接続されている。発熱体54b3は、一方の端部が第3の接点である接点54d3に接続され、他方の端部が接点54d2に接続されている。発熱体54b4は、一方の端部が第4の接点である接点54d4に接続され、他方の端部が接点54d2に接続されている。発熱体54b5は、一方の端部が第5の接点である接点54d5に接続され、他方の端部が接点54d2に接続されている。すなわち、全ての発熱体54b1~54b5の他端が、接点54d2に接続されている。また、基板54aの短手方向において、2つの発熱体54b1、54b2の間に3つの発熱体54b3~54b5が配置されている。更に、基板54aの短手方向において、発熱体54b3、54b4の間に発熱体54b5が配置されている。
変形例2においては、基板54aの長手方向の一方の端部に接点を4つ、他方の端部に接点を1つ配置した。変形例3は、長手方向の一方の端部に接点を3つ、他方の端部に接点を2つ配置する例について説明する。変形例3は、基板54aの長手方向において、発熱体を最大限中央に配置できるので、長手方向の発熱分布を均一にするには好ましい配置である。
発熱体54bの電力密度と用紙Pへのトナー像の定着可否を確認するための確認条件について以下に説明する。画像形成装置の画像プロセス速度は200mm/secとし、先行用紙と後続用紙との間隔(紙間)を0.25秒に設定する。基板54aの裏に設置した定着温度センサ59によって、基板54aの裏が180℃になるようエンジンコントローラ92によって温度制御を実施して通紙する。なお、ヒータ54を具備する定着装置50は十分に冷却した状態にしておく。
ここで最大電流量とは、発熱体54bに100Vを印加した際に流れる電流量のことである。この最大電流量の値が小さければ小さいほど、発熱体54bに接続する束線や電気素子等を、低価格、低定格のものを選ぶことができる。図12に、最大電流量[A]と電力密度[W/mm]の関係を示し、定着性問題なしの場合を“〇”、定着不良ありの場合を“×”のプロットで表す。
54b1~54b4 発熱体
54d1~54d4 接点
54a 基板
(2)記録材に担持された未定着のトナー像を定着する定着装置であって、前記(1)に記載のヒータと、前記ヒータ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、を備えることを特徴とする定着装置。
(3)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前記(2)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。
Claims (16)
- 基板と、
第1の発熱体と、
前記第1の発熱体と長手方向の長さが略同じ長さの第2の発熱体と、
前記第1の発熱体及び前記第2の発熱体よりも前記長手方向の長さが短い第3の発熱体と、
前記第3の発熱体よりも前記長手方向の長さが短い第4の発熱体と、
を備え、
前記第1の発熱体、前記第2の発熱体、前記第3の発熱体、及び前記第4の発熱体は、前記基板上に配置され、
前記第1の発熱体は、前記基板の短手方向の一方の端部に配置され、
前記第2の発熱体は、前記第1の発熱体と対称となるように前記基板の前記短手方向の他方の端部に配置され、
前記第3の発熱体、及び前記第4の発熱体は、前記基板の前記短手方向において前記第1の発熱体と前記第2の発熱体との間に配置されることを特徴とするヒータ。 - 前記短手方向において、前記第1の発熱体、前記第3の発熱体、前記第4の発熱体、前記第2の発熱体の順に配置されていることを特徴とする請求項1に記載のヒータ。
- 第1の発熱体と、
第2の発熱体と、
前記第1の発熱体及び前記第2の発熱体より、長手方向の長さが短い第3の発熱体と、
前記第3の発熱体よりも前記長手方向の長さが短い第4の発熱体と、
を備え、
前記第1の発熱体及び前記第2の発熱体の一方の端部が電気的に接続された第1の接点と、
前記第1の発熱体、前記第2の発熱体及び前記第3の発熱体の他方の端部が電気的に接続された第2の接点と、
前記第3の発熱体及び前記第4の発熱体の一方の端部が電気的に接続された第3の接点と、
前記第4の発熱体の他方の端部が電気的に接続された第4の接点と、
を備えることを特徴とするヒータ。 - 前記第3の発熱体と前記第4の発熱体は、前記基板の前記短手方向において対称となるように配置されることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のヒータ。
- 前記第1の発熱体及び前記第2の発熱体の一方の端部が電気的に接続された第1の接点と、
前記第1の発熱体、前記第2の発熱体及び前記第3の発熱体の他方の端部が電気的に接続された第2の接点と、
前記第3の発熱体及び前記第4の発熱体の一方の端部が電気的に接続された第3の接点と、
前記第4の発熱体の他方の端部が電気的に接続された第4の接点と、
を備えることを特徴とする請求項1又は請求項2のヒータ。 - 前記第1の発熱体及び前記第3の発熱体の一方の端部が電気的に接続された第1の接点と、
前記第4の発熱体及び前記第2の発熱体の一方の端部が電気的に接続された第2の接点と、
前記第3の発熱体の他方の端部が電気的に接続された第3の接点と、
前記第4の発熱体の他方の端部が電気的に接続された第4の接点と、
を備え、
前記第1の発熱体の他方の端部と前記第2の発熱体の他方の端部とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項1又は請求項2のヒータ。 - 前記第4の発熱体よりも前記長手方向の長さが短い第5の発熱体を備え、
前記第5の発熱体は、前記基板の前記短手方向において前記第3の発熱体と前記第4の発熱体との間に配置されることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のヒータ。 - 前記第1の発熱体及び前記第2の発熱体の一方の端部が電気的に接続された第1の接点と、
前記第1の発熱体、前記第2の発熱体、前記第3の発熱体、前記第4の発熱体及び前記第5の発熱体の他方の端部が電気的に接続された第2の接点と、
前記第3の発熱体の一方の端部が電気的に接続された第3の接点と、
前記第4の発熱体の一方の端部が電気的に接続された第4の接点と、
前記第5の発熱体の一方の端部が電気的に接続された第5の接点と、
を備えることを特徴とする請求項7に記載のヒータ。 - 前記第1の発熱体と前記第2の発熱体との合成抵抗の値は、前記第5の発熱体の抵抗の値よりも小さいことを特徴とする請求項8に記載のヒータ。
- 前記第1の発熱体と前記第2の発熱体との合成抵抗の値は、前記第3の発熱体の抵抗の値及び前記第4の発熱体の抵抗の値よりも小さいことを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか1項に記載のヒータ。
- 前記第3の発熱体の前記長手方向における長さをL1とし、前記第3の発熱体の抵抗の値をR1とし、前記第4の発熱体の前記長手方向における長さをL2とし、前記第4の発熱体の抵抗の値をR2としたとき、
R1×L1>R2×L2
の関係を満たすことを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか1項に記載のヒータ。 - 記録材に担持された未定着のトナー像を定着する定着装置であって、
請求項1から請求項11のいずれか1項に記載のヒータと、
前記ヒータ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、
を備えることを特徴とする定着装置。 - 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12に記載の定着装置。
- 前記ヒータは、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ヒータと前記第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13に記載の定着装置。 - 前記長手方向の所定の位置において、前記第2の回転体の回転の中心の位置から前記第1の発熱体及び前記第2の発熱体を除く他の発熱体のうち前記長手方向の長さが最も短い発熱体までの距離は、前記第2の回転体の回転の中心の位置から前記他の発熱体のうち前記最も短い発熱体を除く発熱体までの距離よりも短いことを特徴とする請求項12から請求項14のいずれか1項に記載の定着装置。
- 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12から請求項15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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