JP3158224B2 - 定着装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、記録媒体としてトナー
を用いる静電記録装置に組み込まれる定着装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、静電記録装置の画像プロ
セスには、静電潜像形成プロセス，静電潜像現像プロセ
ス，転写プロセス，及び定着プロセスが含まれる。静電
潜像形成プロセスでは、感光体ドラムまたは感光体ベル
ト上に画像を光学的に投影することによって、あるいは
誘電体ドラム上に電荷を付与することによって、静電潜
像が形成される。

【０００３】静電潜像現像プロセスでは、そのように形
成された静電潜像に記録媒体としてトナーを静電的に付
着することによって、静電潜像が現像される。現像に用
いたトナーは、転写プロセスで記録紙に転写され、次い
で転写されたトナーは定着プロセスで記録紙に定着され
る。

【０００４】転写トナーの定着方式としては、圧力定着
方式，フラッシュ定着方式，熱定着方式が知られてお
り、いずれの方式を採用するかによってトナー定着機構
は異なる。ところで、プリンタや複写機等のＯＡ機器で
は、省電力化，小型化，ウォームアップ時間の短縮化が
要求されているが、圧力定着方式及びフラッシュ定着方
式を採用するトナー定着機構の場合にはかかる要望に答
えることができない。

【０００５】このことを具体的に説明すると、圧力定着
方式を採用するトナー定着機構では、消費電力が非常に
小さくまたウォームアップ時間も必要とされないという
利点を持っている。しかしながら、粉体トナーを圧力定
着方式で定着する際の欠点として、定着性の悪さと高い
印加圧力のために定着ローラを３本用いることで装置が
大型化する点や、軸方向の平行度をとるための機構を要
する点、さらに圧力に耐え得るローラを用いるために装
置の重量がかさむ等の欠点が指摘されている。

【０００６】そこで、粉体トナーの定着性の悪さを改善
するために、圧力ローラ間の線圧を２０〜４０ｋｇ／ｃ
ｍまで高める一方、記録紙としてコート紙を用い、粉体
トナーをそのコート剤中に押し込める方式が提案されて
いる。しかしながら、そのような方式は、高い定着圧力
のために記録紙にしわが発生したり、記録紙の繊維がつ
ぶれて光沢が生じたりする点、さらにコート紙が市場の
ニーズに合わないという点で採用できない。

【０００７】また、フラッシュ定着方式を採用するトナ
ー定着機構の場合も、ウォームアップ時間は必要とされ
ないが、消費電力がきわめて大きく、しかも脱煙，脱臭
設備が必要なために大型化が避けられなくなる。

【０００８】これに対し、熱定着方式を採用するトナー
定着機構の場合は、ヒータを内蔵した熱ローラが用いら
れ、そのヒータの暖まる待ち時間すなわちウォームアッ
プ時間が必要である。しかも該ヒータによる消費電力が
大きいという欠点を有している。しかし、上記２つの方
式に比べて、装置の小型，軽量化が可能なこと、装置構
成が簡素なことにより、この熱定着方式が広く用いられ
ている。

【０００９】熱定着方式を採用する従来の熱ローラ定着
装置を図６に示す。図中、１は熱ローラ、２はバックア
ップローラ、３は熱ローラ１に内蔵されたハロゲンラン
プのヒータ、４はローラに付着したトナー及び塵を取り
除くためのクリーナ、５は熱電対（またはサーミス
タ）、６はローラから紙をはがす紙づめ、７はローラ間
に圧力を付与するばねである。

【００１０】このような構成の定着装置の作用は次の通
りである。

【００１１】トナー像８が形成された記録紙１００は図
６の左方向から搬送されてくる。定着装置では、熱ロー
ラ１をヒータ３により加熱して、これを熱電対５で検知
しさらに図示しないコントローラを介すことにより熱ロ
ーラ１の表面温度を一定に保つ。そして、ローラ表面が
所望の温度になったのを検知した後に記録紙１００は熱
ローラ１とバックアップローラ２の間に通される。これ
により、記録紙１００上のトナー像８は、熱ローラ１か
らの熱とバックアップローラ２による加圧により溶解し
て、ローラ間通過後の温度低下により記録紙１００上に
定着，固化する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記従来構造では、熱
源とするハロゲンランプヒータより発せられた光が熱ロ
ーラ内壁に照射され、吸収された分だけ熱として消費さ
れる。しかし、熱ローラ内壁では光の反射等が起こり、
ハロゲンランプヒータに印加した電力の大体６０％程度
しか定着の熱に利用されない。

【００１３】また、ハロゲンランプの電圧印加部分（端
子部）は導電性を考慮して銅で形成されており、熱によ
る損傷を防ぐために発熱有効部より約４０ｍｍ程度離し
て作られる。このため、全体のヒータ長さは定着する記
録紙よりも８０ｍｍ（片側で４０ｍｍ）以上長いものを
用いる必要があり、これに伴い定着装置の幅（熱ローラ
の軸線方向の寸法）も広くなる。

【００１４】本発明は、消費電力を低下させることので
きる小型化に有利な定着装置を提供することを目的とし
ている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、加熱源を有し両端が回動自在に支持部
材によりそれぞれ支持される熱ローラを備え、記録媒体
としてトナーを用いる静電記録装置に組み込まれる定着
装置において、前記熱ローラはグラファイト線を巻き回
して焼結してローラ状にしたグラファイトローラにより
構成され、前記加熱源は、前記グラファイトローラの内
部に密着させたことを特徴とする構成（第１の構成）と
する。

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【００２０】また、上記第１の構成の定着装置におい
て、加熱源として、熱ローラの内壁に全周にわたり密
着，固定されるように巻き回して熱ローラ内に挿入され
て、熱ローラとともに回動するシート状ヒータを用いた
ことを特徴とする構成（第２の構成）とする。

【００２１】

【００２２】

【作用】熱ローラ内壁に密着するシート状ヒータを用い
た場合は、ヒータが発した熱を直接熱ローラに付加する
ことができ、熱の損失を減少させるとともに、所望の熱
ローラ温度までの待ち時間を短縮することが可能とな
る。また、熱ローラにグラファイトを用いた場合も、ロ
ーラ肉厚を薄くすることで、熱伝導性を向上させると同
時に熱容量を低下させることができ、同様の効果が得ら
れる。さらに、熱ローラにグラファイトを用いるととも
に、加熱源としてシート状ヒータを用いた場合は、上記
効果は一層向上する。

【００２３】

【実施例】以下、図１乃至図５を参照して本発明の実施
例を説明するが、それに先立って、図１乃至図３を参照
して本発明の前提となる第１の参考例を説明する。

【００２４】図１乃至図３に本発明の前提となる第１の
参考例を示す。

【００２５】図１は本例の定着装置の要部構造を示す分
解斜視図で、図中、１１は加熱源として用いられるシー
ト状ヒータ、１２はシート状ヒータ１１に電圧を印加す
るためのリード線、１３はＮｉチューブの熱ローラ、１
４はオフセット防止用にトナーとの離型性の高い材質を
付けたコート部、１５は熱ローラ１３を支持する耐熱樹
脂製の支持部材、１６はシート状ヒータ１１への電圧印
加用のリング状の電極、１７は装置側からの電圧供給用
端子、１８は定着装置の側板、１９は熱ローラ１３に圧
接するバックアップローラである。

【００２６】熱ローラ１３のＮｉチューブは厚さ１５０
μｍで外径が２０ｍｍである。シート状ヒータ１１は、
図２（Ａ）に示す形状を有し、図２（Ｂ）に示すように
螺旋状に巻き回して熱ローラ１３内に挿入される。該シ
ート状ヒータ１１は、モリブデン合金，ニッケル合金，
ステンレス合金等で図３のような発熱抵抗体２０を形成
し、これをシリコーンゴム，ふっ素樹脂，耐熱性不燃布
等の絶縁性耐熱材で挟み込んで１〜３ｍｍ厚のヒータと
したものである。本例では新日鉄（株）製のＮＲ−ふっ
素樹脂プレートヒータを用いその厚さは１．５ｍｍであ
る。

【００２７】上記のように巻き回して挿入するために、
シート状ヒータ１１の形状は、短辺１１ａの長さが熱ロ
ーラ１３の内径で、長辺１１ｂは巻き回しの角度に合わ
せ、螺旋状に巻き回した状態で定着幅となるようにす
る。本例では、６０°と１２０°とで形成する平行四辺
形とした。巻き回して挿入されたシート状ヒータ１１に
は、平板の状態に戻ろうとする反発力が働き、該シート
状ヒータ１１は熱ローラ１３の内壁に全周にわたり密着
する。従って、ヒータが発した熱を直接熱ローラ１３に
付加することが可能になる。

【００２８】耐熱樹脂製の支持部材１５は、熱ローラ１
３をシート状ヒータ１１とともに回転駆動するだけでな
く、シート状ヒータ１１が熱ローラ１３の外に出るのを
防ぐ働きも行う。このため、熱ローラ１３の内側に入る
部分の端面はシート状ヒータ１１の端面に接している。
また、支持部材１５は熱ローラ１３の軸の働きもするも
ので、熱ローラ１３に挿入する側と反対側に、側板１８
の穴２１（熱ローラ１３の軸受け部分）に嵌入する軸部
１５ａを有している。

【００２９】支持部材１５のギア部１５ｂと軸部１５ａ
の間には、シート状ヒータ１１に電圧を印加するための
電極１６嵌め込み用の溝１５ｃが形成されている。電極
１６はこの溝１５ｃに嵌め込まれ、該電極１６に一体に
形成されてリード線１２が接続される突起１６ａは軸部
１５ａに形成された穴２１に嵌入している。なお、熱ロ
ーラ１３の反対側を支持する支持部材（図示省略）は図
１の支持部材１５からギア部１５ｂを除いたものであ
る。

【００３０】各支持部材には、支持部材１５について図
１に示したようにキー２２が設けられ、該キー２２は熱
ローラ１３に設けられたキー溝２３に係合している。従
って、図示しない駆動系によりギア部１５ｂを駆動する
ことによって、熱ローラ１３はシート状ヒータ１１とと
もに回転する。

【００３１】この熱ローラ１３の回転時に電極１６も回
転するが、該電極１６に対する電圧供給は、側板１８に
絶縁部材を介し取り付けられた電圧供給用端子１７を介
し行われる。端子１７の接点部１７ａは電極１６に圧接
して相対的に摺動するようになっており、これにより、
リード線１２を介するシート板ヒータ１１への電圧印加
が行われる。

【００３２】バックアップローラ１９は、熱ローラ１３
のコート部１４に対応する長さを有しており、該コート
部１４に圧接している。

【００３３】上記構成の定着装置を静電記録装置内に装
着して印字出力を行った。用いたトナーのベースレンジ
はポリエステル系のものを用いたために、コート部１４
のコート剤はＰＦＡ樹脂とした、また、シート状ヒータ
１１の消費電力は約１．５ｗ／ｃｍ² であり、定着幅を
２２０ｍｍ（Ａ４縦送り；紙幅２１０ｍｍ）としたた
め、シート状ヒータ１１全体の消費電力は約２００ｗと
なる。そして、電圧供給用端子１７に１００ｖを印加し
たところ、定着温度１７０℃に達するまでの時間は９．
８秒であった。この結果を各種比較例と比較すると次の
通りである。

【００３４】（比較例１） 上記第１の参考例と同様の構成をとり、熱ローラを肉厚
１．５ｍｍのアルミニウム管に代えて用いたところ、電
圧印加時より定着温度（１７０℃）に達するまでの時間
は１９．２秒とＮｉチューブを用いた場合より２倍以上
必要とするため、装置内温度の上昇にも影響することが
分かる。

【００３５】（比較例２） 第１の参考例と同様の構成（Ａ４縦送り定着；紙幅２１
０ｍｍ）で、加熱源をシート状ヒータ１１からハロゲン
ランプに代えて定着装置を構成したところ、該ハロゲン
ランプ長は３０８ｍｍとなり、さらに該ハロゲンランプ
への電圧印加用端子部分が片側で７ｍｍとなるため、定
着装置の全長は３２２ｍｍとなった。これは、シート状
ヒータを用いた全長２６４ｍｍの定着装置より約６０ｍ
ｍ長くなる。

【００３６】上述の説明では平行四辺形のシート状ヒー
タを螺旋状に巻き回して熱ローラ内壁に密着させる例に
ついて述べたが、長方形のシート状ヒータを用い、これ
を円筒状に巻いて熱ローラに挿入しても良い。この場合
は、熱ローラの円周上の軸に沿った一箇所（シート状ヒ
ータの円筒の継目に対応する部分）が低温となり、この
ままで定着を行うと、記録紙上に部分的に定着不良が発
生する。

【００３７】この問題を解決するためには、シート状ヒ
ータの継目に近い発熱抵抗体の発熱を他の部分より大き
くすれば良い。本例では、シート状ヒータの中央部の発
熱に対し継目近くの発熱を２０％増とすることで、熱ロ
ーラ表面の部分的温度低下を防止して良好な定着を行え
るようになった。

【００３８】以上の記載から明らかなように、本例の定
着装置では、加熱源にシート状ヒータを用いてこれを熱
ローラ内壁に密着させているため、熱伝導性が向上して
熱の損失が低減され、必要温度に上昇するまでの待ち時
間の短縮が可能となった。また、装置の長さも従来用い
ているハロゲンランプより短かくすることが可能となっ
た。さらに、熱ローラにＮｉ等の高強度の材料を用いる
と、ローラの肉厚を薄くすることができ、より効果的で
ある。

【００３９】図４及び図５に本発明の前提となる第２の
参考例を示す。

【００４０】従来の熱ローラは、主にアルミニウム管が
用いられ、管内には加熱源であるハロゲンランプヒータ
が配置されている。そして、ハロゲンランプヒータから
発せられた光のうち、反射されずに管壁に吸収された分
だけ熱として定着に寄与される。しかし、熱ローラとし
てアルミニウムを用いた場合には、バックアップローラ
との圧力に対してローラに撓みが発生しないように、ロ
ーラの肉厚を厚くしなければならない。

【００４１】このようにローラの肉厚を厚くするとロー
ラ温度上昇に費やすエネルギが必要なため、ウォームア
ップ時間が長くなる。この問題に対し、特開昭５９−４
３８９では、熱ローラとしてＮｉ電鋳製のものを用い、
また、特開昭５４−２１７３９ではローラを薄肉とする
ことで熱容量を低下させ、ウォームアップ時間の短縮化
とローラとしての剛性，量産性とを付与している。

【００４２】このうち、前者の熱ローラにＮｉ電鋳品を
用いたものは、ローラの肉厚も薄くなり、これに伴い熱
容量も低下することから、消費電力の低減に有効であ
る。しかし、装置の小型化，薄型化等に伴う定着装置の
小型化により熱ローラ自身もより小さい径のものが必要
とされる現状では、電鋳製のローラが、内径に相当する
型上にＮｉを積層した後に型から剥がす工程により成形
される際に変形しやすい。

【００４３】また、他の金属で薄肉ローラを製造する後
者の場合には、シート状の金属を型に合わせて巻き回
し、継ぎ目を溶接することでパイプ状とするため、直径
１５ｍｍ以下となるような小径のローラの場合には、製
造上の困難を伴うだけでなく、真円度も問題になる。

【００４４】本例は、上記の問題を解決するもので、熱
ローラをグラファイトで形成することにより、熱ローラ
の径を小さくした場合でも強度のある熱ローラが得ら
れ、かつ省電力化を実現することができる。次に本例の
定着装置の構成，作用を図４，５により説明する。

【００４５】図４は本例の定着装置の要部構造を示す分
解斜視図で、図中、３１はグラファイトの熱ローラ、３
２はオフセット防止用にトナーとの離型性の高い材質を
付けたコート部、３３は耐熱樹脂製の支持部材、３４は
加熱源として熱ローラ３１内に挿入されたハロゲンラン
プ、３５は側板、３６はハロゲンランプ３４を固定する
ための固定部材、３７はバックアップローラである。固
定部材３６は側板３５に固定され、ハロゲンランプ３４
は、固定部材３６に取り付けられた図示しない電極部に
より電圧印加を受ける。

【００４６】熱ローラ３１は、図５に示すようにグラフ
ァイト線４０をローラ内径に相当する型に巻き回してロ
ーラ形状とし、１０００〜３０００℃の範囲において焼
結してローラ状としたもので、厚さ１００μｍ，外径１
５ｍｍである。このままではローラ表面にグラファイト
線の凹凸があるばかりでなく、トナーとの離型性が低い
ためにトナー画像にオフセットが発生する。このため
に、ふっ素樹脂等の離型性のあるものを塗布してコート
部３２を形成し、ローラ表面平滑化とトナー離型性向上
を図っている。

【００４７】この熱ローラ３１は、薄肉であるにもかか
わらず十分な強度を有しており（引っ張り強さが、ニッ
ケルの５．０×１０⁸ Ｐａに対しグラファイトは６．２
×１０⁸ Ｐａである）、しかもグラファイトの熱伝導特
性はＫａｙｅ ＆ Ｌａｂｙ，１９７３によると８０〜
２３０ｗ・ｍ^-1・ｋ^-1であり、ニッケルの９４，アルミ
ニウムの２３６と比較しても、ローラ肉厚を考慮すると
良好であるといえる。

【００４８】すなわち、グラファイト製の熱ローラ３１
は、十分な強度を有しているため肉厚を薄くすることが
できる。また、ローラ肉厚を薄くすることで熱伝導性を
向上させると同時に、熱容量を低下したことにより熱損
失を低下させることができ、かつ、必要温度に上昇する
までの待ち時間の短縮が可能になる。

【００４９】支持部材３３は、前例の支持部材１５から
電極１６嵌合部分を省略したもので、側板３５に嵌合，
支持される軸部３３ａと、ギア部３３ｂと、熱ローラ３
１に嵌入すると支持部３３ｃとを備えており、支持部３
３ｃにはキー３８が設けられている。キー３８は、支持
部３３ｃを熱ローラ３１に嵌入させて固定する際に、熱
ローラ３１に設けられたキー溝３９と係合して熱ローラ
３１を回転方向に係止する。なお、図４では片側の支持
部材３３のみを示したが、熱ローラ３１の他方は同様の
支持部材（ギア部なし）に固定され、この状態で熱ロー
ラ３１は両側板に支持される。

【００５０】このように両支持部材により熱ローラ３１
を固定することで回転軸の振れは抑えられるが、バック
アップローラ３７からの圧力により熱ローラ３１と支持
部材３３の接続部分でき裂が発生しないようにするため
には、該接続部分である熱ローラ３１の端部の厚さを大
きくすれば良い。この場合外径は全体にわたり一様と
し、内径を変化させれば、定着性能に影響を及ぼすこと
はない。

【００５１】このような構成の定着装置を静電記録装置
に入れ、印字出力を行った。用いたトナーのベースレジ
ンはポリエステル系のものを用いたために、オフセット
防止用のコート部３２はふっ素系のＰＦＡ樹脂とした。
ハロゲンランプ３４は消費電力１００ｗのものを用い
た。これに通電して定着を行ったところ、温度変化が急
激に起こったため、ハロゲンランプ３４に印加する電力
を調整して温度を調節した。

【００５２】これによると、定着温度である１７０℃で
の安定には約２０ｗあれば良く、定着時でも５０ｗ以下
の電力印加で良い。

【００５３】以上の記載から明らかなように、本例の定
着装置では、熱ローラとしてグラファイト製のものを用
い、ローラ肉厚を薄くすることで、熱伝導性を向上させ
ると同時に、熱容量低下により熱の損失を低減すること
ができ、かつ、必要温度に上昇するまでの待ち時間の短
縮が可能となる。

【００５４】上記第１の参考例では加熱源として熱ロー
ラ内壁に密着するシート状ヒータを用いたものを示し、
第２の参考例では熱ローラをグラファイトで薄肉に形成
したものを示したが、本発明は、これらを組み合わせた
ものである。 即ち、熱ローラとしてグラファイト線を巻
き回して焼結してローラ形状にしたグラファイト製ロー
ラを用いるとともに、加熱源として図２及び図３に示し
たシート状ヒータをグラファイト製ローラの内部に密着
させたものであり、それによて、上記の第１及び第２の
参考例より優れた効果を得ることができる。

【００５５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、熱
ローラをグラファイト線を巻き回して焼結してローラ状
にしたグラファイトローラで構成しているので、肉薄で
且つ小径に構成することができ、熱の損失を低下させて
消費電力を低下させることが可能になるとともに、必要
温度に上昇するまでの待ち時間を短縮することが可能に
なる。また、加熱源としてシート状ヒータを用い、熱ロ
ーラの内壁に全周にわたり密着，固定されるように巻き
回して熱ローラ内に挿入することによって熱ローラ表面
を均等に加熱することができるため、均等に記録紙を加
熱することができ、良好な定着が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の前提となる第１の参考例の定着装置
の要部構造を示す分解斜視図である。

【図２】 本発明の実施例に用いるシート状ヒータの形
状説明図で、図２（Ａ）はシート状ヒータの斜視図、図
２（Ｂ）はシート状ヒータの巻き回し状態を示す斜視図
である。

【図３】 本発明の実施例に用いるシート状ヒータの発
熱抵抗体の形状説明図である。

【図４】 本発明の前提となる第２の参考例の定着装置
の要部構造を示す分解斜視図である。

【図５】 本発明の前提となる第２の参考例のグラファ
イト製熱ローラの形状を示す斜視図である。

【図６】従来の熱ローラ定着装置の構造を示す側面図で
ある。

【符号の説明】

１１ シート状ヒータ（加熱源） １３，３１ 熱ローラ（加熱源） １５，３３ 支持部材 ２０ 発熱抵抗体 ３４ ハロゲンランプ（加熱源） ４０ グラファイト線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−142960（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−116677（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−201385（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−66250（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−87376（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G03G 15/20

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱源を有し両端が回動自在に支持部材
   によりそれぞれ支持される熱ローラを備え、記録媒体と
   してトナーを用いる静電記録装置に組み込まれる定着装
   置において、前記熱ローラはグラファイト線を巻き回して焼結してロ
   ーラ状にしたグラファイトローラにより構成され、 前記加熱源は、前記グラファイトローラの内部に密着さ
   せた ことを特徴とする定着装置。
2. 【請求項２】 上記加熱源として、上記熱ローラの内壁
   に全周にわたり密着，固定されるように巻き回して熱ロ
   ーラ内に挿入されて、前記熱ローラとともに回動するシ
   ート状ヒータを用いたことを特徴とする請求項１記載の
   定着装置。