JP2024106641A - 加熱装置、定着装置、画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ローラ部材の長手方向端部側の温度を適切に保つことを課題とする。
【解決手段】加熱ローラ２０と、加熱ローラ２０に対向する加圧ローラ２１と、中央側ヒータ２２および端部側ヒータ２３とを備えた定着装置９であって、加熱ローラ２０は、長手方向中央側から端部側にわたって設けられる素管２０ａと、加熱ローラ２０の長手方向端部側に設けられる大熱容量部２０ｃとを有し、大熱容量部２０ｃは、素管２０ａよりも熱容量の大きい材料により形成されることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、加熱装置、定着装置および画像形成装置に関する。

加熱装置の一例として、用紙などの記録媒体を加熱して記録媒体上の未定着画像を記録媒体に定着させる定着装置が知られている。

この定着装置においては、ローラ部材としての加熱ローラの温度が低くなりすぎることにより、定着不良を起こして画像の欠損につながるといった問題がある。またこれとは逆に、加熱ローラの温度が高くなりすぎることにより、加圧部材としての加圧ローラのシリコンゴムやトナーワックス成分が揮発してＵＦＰ（Ultra Fine Particle）を発生させるという問題がある。例えば、加熱ローラが過昇温する場合として、小サイズ紙が連続通紙されることにより、加熱ローラの長手方向端部側の非通紙領域が過昇温する場合がある。

例えば特許文献１（国際公開番号ＷＯ２０１５／０９３１３１）では、加圧ローラの軸方向端部側に粉塵防止部材を設けることにより、加圧ローラから発生するＵＦＰを低減する発明が記載されている。

本発明では、ローラ部材の長手方向端部側の温度を適切に保つことを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明は、ローラ部材と、ローラ部材に対向する加圧部材と、加熱体とを備えた定着装置であって、ローラ部材は、長手方向中央側から端部側にわたって設けられる基体と、ローラ部材の長手方向端部側に設けられる大熱容量部とを有し、大熱容量部は、基体よりも熱容量の大きい材料により形成されることを特徴とする。

本発明によれば、ローラ部材の長手方向端部側の温度を適切に保つことができる。

画像形成装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る定着装置の側面断面図である。 加熱ローラおよびその内側を示す断面図である。 異なる実施形態の加熱ローラを示す断面図である。 異なる実施形態の加熱ローラを示す断面図である。 シリコーンオイルの温度と微粒子の発生濃度の関係を示す図である。 本実施形態と異なる加熱ローラを示す断面図である。 加熱ローラの温度変化の実験結果を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。以下、本発明の一実施形態に係る加熱装置として、画像形成装置に設けられた定着装置を説明する。

図１は、本発明の実施の一形態に係る画像形成装置の概略構成図である。

図１に示す画像形成装置１００は、画像形成装置本体に対して着脱可能な４つの作像ユニット１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｂｋを備える。各作像ユニット１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｂｋは、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの異なる色の現像剤を収容している以外は同様の構成となっている。これらの色の現像剤は、カラー画像の色分解成分に対応する。各作像ユニット１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｂｋは、像担持体としてのドラム状の感光体２と、帯電装置３と、現像装置４と、クリーニング装置５とを備える 。帯電装置３は感光体２の表面を帯電する。現像装置４は、感光体２の表面に現像剤としてのトナーを供給してトナー画像を形成する。クリーニング装置５は感光体２の表面をクリーニングする。

また、画像形成装置１００は、露光装置６と、給紙装置７と、転写装置８と、定着装置９と、排紙装置１０とを備える。露光装置６は、各感光体２の表面を露光し、その表面に静電潜像を形成する。給紙装置７は、記録媒体としての用紙Ｐを用紙搬送路１４に供給する。転写装置８は各感光体２に形成されたトナー画像を用紙Ｐに転写する。定着装置９は用紙Ｐに転写されたトナー画像を用紙Ｐ表面に定着させる。排紙装置１０は用紙Ｐを装置外に排出する。各作像ユニット１、感光体２、帯電装置３、露光装置６、転写装置８などは、用紙に画像を形成するための画像形成手段を構成している。

転写装置８は、中間転写体としての無端状の中間転写ベルト１１と、一次転写部材としての４つの一次転写ローラ１２と、二次転写部材としての二次転写ローラ１３とを有する。中間転写ベルト１１は複数のローラによって張架される。一次転写ローラ１２は各感光体２上のトナー画像を中間転写ベルト１１へ転写する。二次転写ローラ１３は中間転写ベルト１１上に転写されたトナー画像を用紙Ｐへ転写する。複数の一次転写ローラ１２は、それぞれ、中間転写ベルト１１を介して感光体２に接触している。これにより、中間転写ベルト１１と各感光体２とが互いに接触し、これらの間に一次転写ニップが形成される。一方、二次転写ローラ１３は、中間転写ベルト１１を介して中間転写ベルト１１を張架するローラの１つに接触している。これにより、二次転写ローラ１３と中間転写ベルト１１との間には二次転写ニップが形成されている。

また、用紙搬送路１４における給紙装置７から二次転写ニップ（二次転写ローラ１３）に至るまでの途中には、一対のタイミングローラ１５が設けられている。

次に、図１を参照して上記画像形成装置の印刷動作について説明する。

印刷動作開始の指示があると、各作像ユニット１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｂｋにおいては、感光体２が図１の時計回りに回転駆動され、帯電装置３によって感光体２の表面が均一な高電位に帯電される。次いで、原稿読取装置によって読み取られた原稿の画像情報、あるいは端末からプリント指示されたプリント情報に基づいて、露光装置６が各感光体２の表面を露光する。これにより、露光された部分の電位が低下して静電潜像が形成される。そして、この静電潜像に対して現像装置４からトナーが供給され、各感光体２上にトナー画像が形成される。

各感光体２上に形成されたトナー画像は、各感光体２の回転に伴って回転し、一次転写ニップ（一次転写ローラ１２の位置）に達する。そしてトナー画像は、図１の反時計回りに回転駆動する中間転写ベルト１１に順次重なり合うように転写される。そして、中間転写ベルト１１上に転写されたトナー画像は、中間転写ベルト１１の回転に伴って二次転写ニップ（二次転写ローラ１３の位置）へ搬送される。トナー画像は、二次転写ニップにおいて搬送されてきた用紙Ｐに転写される。この用紙Ｐは、給紙装置７から供給されたものである。給紙装置７から供給された用紙Ｐは、タイミングローラ１５によって一旦停止された後、中間転写ベルト１１上のトナー画像が二次転写ニップに至るタイミングに合わせて二次転写ニップへ搬送される。かくして、用紙Ｐ上にフルカラーのトナー画像が担持される。また、トナー画像が転写された後、各感光体２上に残留するトナーは各クリーニング装置５によって除去される。

トナー画像が転写された用紙Ｐは、定着装置９へと搬送され、定着装置９によって用紙Ｐにトナー画像が定着される。その後、用紙Ｐは排紙装置１０によって装置外に排出されて、一連の印刷動作が完了する。

次に、定着装置９の構成について図２および図３を用いて説明する。

図２に示すように、定着装置９は、ローラ部材としての加熱ローラ２０と、加圧部材としての加圧ローラ２１と、中央側加熱体としての中央側ヒータ２２と、端部側加熱体としての端部側ヒータ２３と、中央側温度検知部材としての中央側サーミスタ２４と、端部側温度検知部材としての端部側サーミスタ２５とを有する。加熱ローラ２０、加圧ローラ２１、中央側ヒータ２２、端部側ヒータ２３は図２の紙面に直交する方向である、図３の左右方向Ｘに延在する。この左右方向Ｘは、定着装置９、および、これらの部材の長手方向であり、加熱ローラ２０および加圧ローラ２１の回転軸線方向、あるいは定着装置９に通紙される用紙Ｐの搬送方向と直交する幅方向でもある。

加熱ローラ２０は中空の筒状部材である。図３に示すように、本実施形態の加熱ローラ２０は、基体としての素管２０ａと、表層部２０ｂと、熱容量変化部としての大熱容量部２０ｃとを有する。素管２０ａおよび表層部２０ｂは、加熱ローラ２０の長手方向一方の端部側から他方の端部側にまでわたって設けられる。

素管２０ａは中空筒状をなす。素管２０ａは、例えばアルミニウム、鉄、ステンレスなどにより形成され、本実施形態はアルミニウムにより形成される。表層部２０ｂは、用紙の離型性を向上させる目的で素管２０ａの外周面側に形成され、本実施形態ではテフロン（登録商標）コーティングにより形成される。表層部２０ｂをポリイミドフィルムにより形成してもよい。

大熱容量部２０ｃは、素管２０ａよりも熱容量の大きい材料により形成され、例えば樹脂塗料により形成される。大熱容量部２０ｃは、加熱ローラ２０の長手方向端部側にのみ設けられる。本実施形態では、素管２０ａの長手方向端部側の一部分が、大熱容量部２０ｃに置き換えられている。つまり、素管２０ａの長手方向端部側には、中央側よりも厚みの小さい部分が設けられており、この部分に大熱容量部２０ｃが設けられて加熱ローラ２０の長手方向中央側と端部側の厚みが同じに設けられている。ただし、素管２０ａの厚みが長手方向に均一で、大熱容量部２０ｃの分だけ加熱ローラ２０の長手方向端部側の厚みが大きい構成であってもよい。なお、大熱容量部２０ｃが長手方向中央側の一部領域にわたって設けられていてもよい。ここで、加熱ローラ２０の長手方向端部側とは、加熱ローラ２０を長手方向に３等分した際に、その両端の領域のことであり、加熱ローラ２０の長手方向中央側とは、その中央の領域のことである。

加圧ローラ２１は、中実の金属製芯金２１ａと、この芯金２１ａの表面に形成された弾性層２１ｂと、弾性層２１ｂの外側に形成された離型層２１ｃとで構成されている。弾性層２１ｂはシリコンゴムで形成されている。弾性層２１ｂの表面は離型性を高めるために、離型層２１ｃを形成するのが望ましい。

加熱ローラ２０と加圧ローラ２１との間には定着ニップＮが形成される。

加熱ローラ２０の内側には、中央側ヒータ２２および端部側ヒータ２３が設けられる。中央側ヒータ２２および端部側ヒータ２３は、ハロゲンヒータである。図３に示すように、中央側ヒータ２２は、長手方向の中央側にフィラメントが密に巻かれた密巻部２２ａを有し、端部側にフィラメントの密度が小さい疎巻部２２ｂを有する。端部側ヒータ２３は、これとは逆に、長手方向の中央側に疎巻部２３ｂを有し、両端側にそれぞれ密巻部２３ａを有する。このように、主な加熱領域の異なる複数の加熱体を設けることにより、後述の加熱ローラ２０の端部温度上昇を抑制できる。ただし、定着装置が単一の加熱体を有する構成であってもよい。また加熱体は、ＩＨコイル、抵抗発熱体やカーボンヒータ等でもよい。

中央側サーミスタ２４は、加熱ローラ２０の長手方向中央側の外周面に対向する位置に配置され、加熱ローラ２０のこの部分の温度を検知する。端部側サーミスタ２５は、加熱ローラ２０の長手方向端部側の外周面に対向する位置に配置され、加熱ローラ２０のこの部分の温度を検知する。

本実施形態に係る定着装置９において、印刷動作が開始されると、加圧ローラ２１が回転駆動され、加熱ローラ２０が従動回転を開始する。中央側ヒータ２２あるいは端部側ヒータ２３に通電されることで加熱ローラ２０が加熱される。そして、加熱ローラ２０の温度が所定の目標温度である定着温度に到達した状態で、未定着トナー画像が担持された用紙Ｐが、加熱ローラ２０と加圧ローラ２１との間の定着ニップＮに搬送されることで、未定着トナー画像が加熱および加圧されて用紙Ｐに定着される。

本実施形態のように、長手方向の中央側および端部側を加熱する加熱体がそれぞれ独立して設けられる構成では、それぞれの発熱量を調整することにより、長手方向中央側と端部側との温度調整ができる。この際、長手方向中央側と端部側とにそれぞれ対応する中央側サーミスタ２４および端部側サーミスタ２５を設けることにより、それぞれの検知温度に基づいて発熱量の調整が可能になる。

ところで、本実施形態のようにローラ部材である加熱ローラ２０と加圧部材である加圧ローラ２１の間の定着ニップＮで用紙Ｐを加熱および加圧する構成では、加熱ローラ２０の温度が低くなりすぎると、用紙Ｐ上のトナーが十分に溶解せずに用紙Ｐに固着しづらくなる。これにより、定着不良を起こして画像の欠損につながるといった問題がある。またこれとは逆に加熱ローラ２０の温度が高くなりすぎると、加熱ローラ２０と摺動する加圧ローラ２１の弾性層２１ｂやトナーのワックス成分から微粒子が発生するという問題がある。この「微粒子」とは、後述の図６に示される実験により測定される超微粒子（以下、「ＵＦＰ」という。）である。

特に加熱ローラ２０の温度が過昇温する原因として、小サイズ紙を連続通紙した際の端部温度上昇の問題がある。つまり、小サイズ紙を連続通紙すると、通紙領域では用紙によって熱が奪われるのに対して、非通紙領域では用紙に熱が奪われずに温度が上昇し続けるため、加熱ローラ２０の長手方向端部側が過昇温してしまう。

上記の問題に対して、本実施形態では、加熱ローラ２０の長手方向端部側の熱容量を中央側よりも大きくしている。具体的には、長手方向端部側では、長手方向中央側と比較すると、大熱容量部２０ｃの分だけその熱容量が大きい。なお、ここでいう長手方向端部側の熱容量が中央側よりも大きい、というのは、例えば、長手方向の単位長さ当たりの熱容量の平均値が、端部側は中央側よりも大きいということである。

加熱ローラ２０の長手方向端部側の熱容量を中央側と比較して大きくすることにより、加熱ローラ２０の長手方向端部側の温度変化を中央側と比較して小さく抑えることができる。これにより、小サイズ紙を連続通紙した際の加熱ローラ２０の長手方向端部側の過昇温を抑制するとともに、加熱ローラ２０の長手方向端部側の温度が低くなりすぎることを防止できる。つまり、加熱ローラ２０の温度を適切に保つことができる。

次に、潤滑剤として使用されるシリコーンオイルおよびフッ素グリースの温度上昇と、これらの材料から生じるＵＦＰの発生濃度（１ｃｍ^３あたりのＵＦＰの発生個数）との関係を調べる試験を行った。その結果を、図６に示す。

本試験は、ドイツ環境ラベル「ブルーエンジェルマーク」の認証試験所の試験装置（チャンバー容積：１ｍ³、換気回数：５回）内で、ホットプレート上に各潤滑剤を入れたシャーレを置き、２５０℃まで加熱した。ホットプレートの温度をモニターしながら、試験装置内の微粒子濃度をモデル 3091 Fast Mobility Particle Sizer（FMPS 東京ダイレック製）で測定をした。なお、試験を行った潤滑剤の重量は、フッ素グリースＡ、フッ素グリースＢが７０mg、シリコーンオイルが３５ｍｇである。

図６に示すように、フッ素グリースでは１８５℃から微粒子が発生し始めて、１９５℃付近から微粒子濃度は急激に上昇した。一方、シリコーンオイルでは２００℃を超えた辺りから少しずつＵＦＰが発生し始め、２１０℃付近からＵＦＰの濃度が急激に上昇した。

このように、１９５℃を超える温度となり得る定着装置においては、上記材料が揮発した後、大気で冷やされることにより凝集してＵＦＰが発生する虞がある。従って、このようなＵＦＰを効果的に低減するには、ＵＦＰが発生しやすい部分の温度上昇を抑制することが重要である。

次に、上記本実施形態と異なる構成の加熱ローラ２０’について、図７を用いて説明する。図７に示すように、加熱ローラ２０’は、前述の加熱ローラ２０と異なる点として、大熱容量部２０ｃを有していない。つまり、加熱ローラ２０’はその長手方向の熱容量が中央側と端部側とで等しい。

図７の加熱ローラ２０’を有する定着装置（比較例）と図３の加熱ローラ２０を有する定着装置（実施例）とについて、定着装置を動作させた際のそれぞれの加熱ローラの温度変化の範囲についての実験結果を図８に示す。

図８に示すように、比較例の加熱ローラ２０’は、その温度が１９５℃を超えることがあり、ＵＦＰが発生する。また１６５℃を下回ることもあり、定着不良による画像の欠損が生じてしまう。これに対して、本実施形態の加熱ローラ２０は、その温度変化が１６５℃より大きく１９５℃未満の範囲に収まっており、このような不具合が生じない。以上のように、大熱容量部２０ｃを設けるなどして加熱ローラ２０の長手方向端部側の熱容量を大きくすることにより、加熱ローラ２０の温度変化を抑制できることがわかる。

次に、上記実施形態と異なる熱容量変化部を有する加熱ローラの実施形態について、順に説明する。

図４に示すように、本実施形態の加熱ローラ２０は、素管２０ａと表層部２０ｂとを有する。素管２０ａはその長手方向中央側に、熱容量変化部としての切削加工部２０ｄを有する。切削加工部２０ｄにより、素管２０ａの長手方向中央側の厚みが端部側よりも小さく設けられる。これにより、加熱ローラ２０の長手方向端部側の熱容量が中央側よりも大きくなる。また、表層部２０ｂの長手方向中央側の厚みを端部側より小さくしてもよい。

図５に示す実施形態では、素管が、長手方向中央側に設けられる第１部分２０ａ１と、長手方向両端部側にそれぞれ設けられ、第１部分２０ａ１よりも熱容量の大きい材料により形成される、熱容量変化部としての第２部分２０ａ２とからなる。この素管の構成により、加熱ローラ２０の長手方向端部側の熱容量が中央側よりも大きくなる。第１部分２０ａ１は少なくとも長手方向中央側に設けられればよく、端部側の一部にわたって設けられていてもよい。また第２部分２０ａ２は少なくとも長手方向端部側に設けられればよく、中央側の一部にわたって設けられていてもよい。

以上の図４および図５の実施形態においても、加熱ローラ２０の長手方向端部側の熱容量を中央側よりも大きくすることにより、加熱ローラ２０の過度な温度上昇および温度低下を抑制し、加熱ローラ２０の温度を適切に保つことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

本発明に係る画像形成装置は、図１に示すカラー画像形成装置に限らず、モノクロ画像形成装置や、複写機、プリンタ、ファクシミリ、あるいはこれらの複合機等であってもよい。

また、本発明は、上記の実施形態で説明したような定着装置に限らず、用紙に塗布されたインクを乾燥させる乾燥装置、さらには、被覆部材としてのフィルムを用紙等のシートの表面に熱圧着するラミネータや、包材のシール部を熱圧着するヒートシーラーなどの熱圧着装置のような加熱装置にも適用可能である。このような装置にも本発明を適用することで、ローラ部材の長手方向端部側の温度を適切に保つことができる。

記録媒体としては、用紙Ｐ（普通紙）の他、厚紙、はがき、封筒、薄紙、塗工紙（コート紙やアート紙等）、トレーシングペーパ、ＯＨＰシート、プラスチックフィルム、プリプレグ、銅箔等が含まれる。

本発明の態様は、例えば以下のとおりである。
＜１＞
ローラ部材と、
前記ローラ部材に対向する加圧部材と、
加熱体とを備えた定着装置であって、
前記ローラ部材は、長手方向中央側から端部側にわたって設けられる基体と、前記ローラ部材の長手方向端部側に設けられる大熱容量部とを有し、
前記大熱容量部は、前記基体よりも熱容量の大きい材料により形成されることを特徴とする加熱装置。
＜２＞
前記大熱容量部は、前記基体の長手方向端部側の厚みを長手方向中央側に対して小さくした部分に設けられる＜１記載の加熱装置。
＜３＞
ローラ部材と、
前記ローラ部材に対向する加圧部材と、
加熱体とを備えた定着装置であって、
前記ローラ部材は、その長手方向中央側に切削加工部を有し、当該切削加工部により、前記ローラ部材の長手方向中央側の厚みが端部側よりも小さく設けられることを特徴とする加熱装置。
＜４＞
ローラ部材と、
前記ローラ部材に対向する加圧部材と、
加熱体とを備えた定着装置であって、
前記ローラ部材は、少なくとも長手方向の中央側に設けられる第１部分と、少なくとも長手方向端部側に設けられ、前記第１部分よりも熱容量の大きい材料により形成される第２部分とを有することを特徴とする加熱装置である。
＜５＞
加熱装置であるの長手方向中央側に配置される中央側温度検知部材、および、長手方向端部側に配置される端部側温度検知部材を有し、
前記加熱体として、前記ローラ部材の長手方向中央側を主に加熱する中央側加熱体と、長手方向端部側を主に加熱する端部側加熱体と、を有する＜１＞から＜４＞いずれか記載の加熱装置である。
＜６＞
＜１＞から＜５＞いずれか記載の加熱装置を用いて未定着画像を担持する記録媒体を加熱し、前記未定着画像を前記記録媒体に定着させることを特徴とする定着装置である。
＜７＞
＜６＞記載の定着装置を備えた画像形成装置である。

１ 画像形成装置
９ 定着装置（加熱装置）
２０ 加熱ローラ（ローラ部材）
２０ａ 素管（基体）
２０ａ１ 素管の第１部分
２０ａ２ 素管の第２部分（熱容量変化部）
２０ｃ 大熱容量部（熱容量変化部）
２０ｄ 切削加工部（熱容量変化部）
２１ 加圧ローラ（加圧部材）
２２ 中央側ヒータ（中央側加熱体）
２３ 端部側ヒータ（端部側加熱体）
２４ 中央側サーミスタ（中央側温度検知部材）
２５ 端部側サーミスタ（端部側温度検知部材）

国際公開番号ＷＯ２０１５／０９３１３１

Claims (7)

1. ローラ部材と、
   前記ローラ部材に対向する加圧部材と、
   加熱体とを備えた定着装置であって、
   前記ローラ部材は、長手方向中央側から端部側にわたって設けられる基体と、前記ローラ部材の長手方向端部側に設けられる大熱容量部とを有し、
   前記大熱容量部は、前記基体よりも熱容量の大きい材料により形成されることを特徴とする加熱装置。
2. 前記大熱容量部は、前記基体の長手方向端部側の厚みを長手方向中央側に対して小さくした部分に設けられる請求項１記載の加熱装置。
3. ローラ部材と、
   前記ローラ部材に対向する加圧部材と、
   加熱体とを備えた定着装置であって、
   前記ローラ部材は、その長手方向中央側に切削加工部を有し、当該切削加工部により、前記ローラ部材の長手方向中央側の厚みが端部側よりも小さく設けられることを特徴とする加熱装置。
4. ローラ部材と、
   前記ローラ部材に対向する加圧部材と、
   加熱体とを備えた定着装置であって、
   前記ローラ部材は、少なくとも長手方向の中央側に設けられる第１部分と、少なくとも長手方向端部側に設けられ、前記第１部分よりも熱容量の大きい材料により形成される第２部分とを有することを特徴とする加熱装置。
5. 加熱装置の長手方向中央側に配置される中央側温度検知部材、および、長手方向端部側に配置される端部側温度検知部材を有し、
   前記加熱体として、前記ローラ部材の長手方向中央側を主に加熱する中央側加熱体と、長手方向端部側を主に加熱する端部側加熱体と、を有する請求項１記載の加熱装置。
6. 請求項１から５いずれか１項に記載の加熱装置を用いて未定着画像を担持する記録媒体を加熱し、前記未定着画像を前記記録媒体に定着させることを特徴とする定着装置。
7. 請求項６記載の定着装置を備えた画像形成装置。

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