JP3336193B2 - 加熱定着装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プリンター、複写
機、ファックス等の電子写真装置に関するものであり、
特に、熱伝導性ローラ（金属パイプ）を用いた場合の定
着性の向上を図ることができる熱定着装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電子写真方式の定着装置とし
て、発熱手段を備えた加熱ローラと、加圧ローラを対抗
して配置しこれらによって形成されるニップ幅に現像後
の用紙を通紙させることによって、トナーを加熱定着す
るようになっている。上記加熱ローラとして、薄肉の金
属パイプ（例えば、アルミニウムまたはアルミ合金やス
テンレス等）の金属パイプの中にハロゲンランプ等の加
熱素子を設けた加熱ローラが用いられてきたが、発熱効
率が悪いためウォームアップ時間が長く、また消費電力
も大きくなる。この加熱ローラの温度を設定温度に保つ
ために、温度検知部材を通紙領域内に設けなければなら
なく、温度検知部材が離形層に接触して検知しているた
め摩耗による定着性の悪化から長寿命化が困難であっ
た。

【０００３】また、金属ローラ基体の外周面に絶縁層を
介して発熱抵抗体を備え、更にその表面に離形層を備え
た構造の加熱ローラが提案されている（特開昭５５−７
２３９０，特開昭６２−２００３８０）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
従来技術は、連続通紙によって加熱ローラの通紙領域内
部が紙によって熱を奪われ、通紙領域外とかなり大きい
の温度差が生じてしてしまう。従って、温度状態を検知
する温度検出素子を通紙領域内に設けると通紙領域外の
温度が設定温度より高くなり、加熱ローラを保持する軸
受け部材の耐熱性が要求されるため材料選定が難しい。
更に離形層が、温度検知部材との接触によって磨耗し離
形層の表面粗さが悪くなり定着性が悪くなるという問題
点もある。また温度検知素子を通紙領域外に設けると通
紙領域内が設定温度より低くなり定着性が落ちる可能性
もある。

【０００５】一方、金属ローラ基体の外周面に絶縁層を
介し発熱抵抗体層と離形層を備えた構造で は、紙等の
外的要因によって発熱抵抗層と金属ローラ基体が導通し
安全性に欠けるという問題もある。本発明は、上述の問
題点に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、温
度検知素子を通紙領域外に設けたとしても、定着性が落
ちることがない加熱定着装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記の問題点を解決する
ために、本発明は熱伝導性ローラ面に少なくとも絶縁層
を介して発熱抵抗体層が積層された加熱ローラと、前記
加熱ローラの発熱抵抗体層に電力を供給する給電体と、
前記加熱ローラ表面に接触し、その温度状態を検知する
温度検知素子と、前記加熱ローラ表面に圧接され、その
圧接部に用紙を通紙させる圧接ローラとを備えた加熱定
着装置において、前記温度検知素子を前記加熱ローラの
用紙通紙領域外に備え、前記通紙領域における表面温度
よりも通紙領域外の表面温度が１５〜３５℃高くなるよ
うに前記用紙通紙領域外の前記発熱抵抗体層の比抵抗を
用紙通紙領域における前記発熱抵抗体層の比抵抗よりも
大きくしたことを特徴とする。これにより、温度検知素
子が通紙領域外に配置したとしても、予め、連続通紙に
よる通紙領域外の温度降下を予想し、簡単に通紙領域内
の温度分布を調整（発熱抵抗体層の比抵抗の調整）する
ことで均一な定着性を確立できる。ここで発熱抵抗体層
の抵抗値を調整する方法として、表面の一部に高抵抗の
抵抗調整層を備えるか、若しくは比抵抗の異なる材質を
連続的に備えることがある。

【０００７】なお、優れたウォームアップ時間の短縮を
得るために金属パイプの熱伝導性が重要であり、金属パ
イプとして、熱伝導率０．０１〜０．０４cal/cm・℃・
ｓｅｃが効果があり、肉厚０．５〜１．５ｍｍのものを
用いれば優れた特性を得られる。

【０００８】しかし、薄肉加熱ローラの場合、熱容量が
小さいため圧接しているシリコンゴム系の耐熱弾性体加
圧ローラに熱を吸収し加熱ローラの熱保持効率が悪くな
る。

【０００９】特に高速のプリンターでは定着ニップ時間
が短く十分にトナーに熱を与えられなく定着性が悪くな
る。本発明は、熱保持効率を上げて定着性を安定させる
ため、圧接ローラとして加熱ローラを弾性体ローラで加
圧する加圧ローラが用いられ、その材質を断熱効果のあ
る耐熱性スポンジで構成するとともに、加熱ローラと加
圧ローラの圧接部の幅（以下、「ニップ幅」という）を
４．５〜５．５ｍｍにすることで定着性を向上させても
良い。

【００１０】また、熱伝導性ローラ内側表面に上述の絶
縁層，発熱抵抗層を積層させても良い。これにより、紙
が接触しあう表面側に発熱抵抗体層が存在しないため、
安全性を確保しつつ、上述の均一な定着性を確保できる
ものである。

【００１１】また、前記加熱ローラの両端開口部を、周
囲に複数の小径孔を形成した給電体で封止したことを特
徴とする。これにより、熱伝導性ローラ内部で発生した
熱が外に流出することを抑えつつ、小径孔により温度調
整が行われるため、連続通紙により熱が外部へ放出する
のが抑制でき定着性の向上が図れる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
を詳細に説明する。図１は本発明の加熱定着装置Ａの側
面方向の断面図である。図において、１は加熱ローラで
あり、金属パイプ（熱伝導性ローラ）６内部に絶縁層７
を介して発熱抵抗体層８が積層されている。５は加熱ロ
ーラ１に圧接して設けられた加圧ローラであり、加熱ロ
ーラ１の発熱とともに圧接し紙面上のトナーを定着させ
る。５ａはスポンジであり、このスポンジ５とバネ１０
により弾力性を持たせて加熱ローラ１に圧接させる。５
ｂは耐熱性のコーティング部であり、特に材料としてＰ
ＦＡチューブが用いられている。このコーティング部に
より加熱ローラ１から発熱する熱が加圧ローラ５に吸収
することがなく、熱保持率が良くなるものである。加熱
ローラ１と加圧ローラ５で形成されるニップ幅としては
４．５〜５．５ｍｍが好ましい。４．５ｍｍ以下である
と、定着性が極端に落ちる一方、５．５ｍｍ以上である
と、定着性は変わらないが、紙しわが発生するため画像
に影響がある。

【００１３】金属パイプ６は具体的にはアルミ合金が用
いられるがこれに限定されない。また、ウォームアップ
時間を短縮するため薄肉ローラ基体６の熱容量を小さく
する必要がある。そのため、熱伝導率が ０．０１〜
０．０４ｃａｌ／ｃｍ・℃・sec ものが用いられ、さら
に、肉厚を０．５〜１．５ｍｍ、好ましくは０．６〜
１．０ｍｍの管体を用いると良い。つまり、１．５ｍ以
上になると熱容量が大きくなりすぎてウォームアップ時
間が長くなる。一方、０．５ｍｍ以下では加熱ローラの
強度に問題があり、ローラ自身が歪みやすくなり、画像
に影響する。

【００１４】絶縁層７は発熱抵抗体層８と薄肉ローラ基
体６を絶縁するため耐熱樹脂を使用する。具体的な材料
としてポリイミド、フェーノール、シリコン、ボロシロ
キサン等の耐熱性に優れた樹脂が適当であり、ポリイミ
ドの場合１０〜２００μｍ、好ましくは１０〜４０μｍ
の厚みが適している。発熱抵抗体層８の材料としてNi-C
r,TaSiO2,Ni,RuO2,Ag-Pbを含む結晶化ガラス等が適当で
あるがこれに限定される事はない。薄肉ローラ基体６の
最外周面には、トナーとの離型性を持たせるため耐熱性
の離形層９が設けられている。材料としてはテフロン、
シリコン等が用いられる。

【００１５】図２は本発明の定着装置の長手方向の断面
図である。１は加熱ローラであり、この加熱ローラ１の
両端部にローラ基体内部で発生した熱が外に流出するの
を抑え、かつ、給電の機能を兼ね備えた給電体２がAgペ
ースト等の導電性接着剤で後述の発熱抵抗体層と接触し
ている。３は摺動電極であり、給電体２に電力を供給す
るように構成されている。４は上述の加熱ローラ１を保
持するための耐熱樹脂またはベアリング等で構成された
軸受け部材である。

【００１６】給電体２の材料として電気抵抗率の低いA
u,Ag,Cu系が適しており、また温度が定着温度の約２０
０℃付近まで上昇するため、給電体とローラ基体の熱膨
張率が大きく異なると接着部の剥がれ及び発熱抵抗体の
亀裂が生じてしまうため熱膨張率を合わせた材質を選択
すると良い。例えば、ローラ基体の材料をアルミニウム
またはアルミ合金とした場合、アルミ合金系の熱膨張率
はおよそ２２×１０^-6／℃なので１９×１０^-6／℃の黄
銅系（真鍮）が適している。一方、黄銅系は腐食しやす
いためAg系の摺動電極３との接触抵抗が大きくなり接点
不良を起こしやすい。このため、黄銅系の給電体の表面
にAuメッキ、Agメッキ、Niメッキ等の電気抵抗値の小さ
いものが良く、コスト面を考慮するとNiメッキ処理が適
している。

【００１７】給電体２の形状としては、図３に示すよう
な小径の空気孔２ａを備えたキャップ状が適している。
この給電体２により加熱ローラ１の両端開口を封止した
もので、両端開口から熱保持効率を高めることができ、
しかも小径の空気孔２ａにより、温度が過剰に上昇する
ことを抑えることができる。１１は温度検知部材であ
り、これは通紙領域外に備えられており、離形層９が温
度検知部材１１と接触して加熱ローラ１の表面粗さが悪
くなっても定着性に影響を与えることはない。

【００１８】以上は本発明の一実施形態を説明したがこ
の構成に限定されることない。例えば本発明に加圧ロー
ラを用いたが、双方のローラが弾性体を有する加熱ロー
ラで構成しても良く、また、本発明は金属パイプの内側
表面に発熱抵抗体層を配置して加熱を行った例を示した
が、金属パイプ６の外周面に絶縁層を介して積層する構
成でもあてはまることは明らかである。

【００１９】次に本発明の特徴である発熱抵抗体層８の
構成について説明する。図２の金属パイプ６は熱容量が
小さいため通紙によって熱を奪われやすく、連続通紙に
より通紙領域内の温度が設定定着温度より降下してしま
い、特に通紙領域内の中心部の定着性が悪くなる。従っ
て、図２の一部拡大図に示すように発熱抵抗体層８の表
面に抵抗値の低い材質からなる抵抗調整層８１を配置す
る。これにより、給電体２に電力を供給すれば、発熱抵
抗体層８が発熱するが、発熱抵抗体層４において抵抗調
整層８１を備えた部分は、他に比べて抵抗値が低くなる
ため、発熱量も中央部分のほうが両端に比べて低くな
る。従って、発熱抵抗体層８の通紙領域内に複数の抵抗
調整層８１を設けることで、加熱ローラ１表面の温度分
布を通紙領域内の温度降下を予想して発熱抵抗体層８を
調整することができる。この抵抗調整層８１の形状とし
てはさまざまな形状とすることができるが温度均一とい
う点からは、リング状として薄肉ローラ基体６の内周面
に取り付けると良い。また、抵抗調整層８については、
Ag,Ag-Pd,Au,Pt,Ni 等を数十Åの粒径とした超微粉金属
粉末を用い、ペースト状にしてローラやハケ等で所定形
状に塗れば良い。

【００２０】本発明の構成によれば、連続通紙の場合は
１５〜３５℃温度降下するため、図６に示すように通紙
領域内の温度の比抵抗を調整して、所定の電力を供給し
た場合に、およそ１５〜３５℃高くなるように飽和時の
温度分布を設定し補正している。なお、この調整値が３
５℃以上になると昇温時に通紙領域内の昇温速度が通紙
領域外の昇温速度より速くなってしまうため温度差がお
よそ５０℃以上生じてしまい加圧ローラの熱劣化が生じ
る原因となる。

【００２１】次に上述の実施の形態の加熱ローラ１の製
造方法について説明する。まず、金属パイプ６を所定形
状に加工し、表面に樹脂等からなる絶縁層７を塗布し焼
き付ける。この表面に均一な厚さで発熱抵抗体層８を塗
布して焼成する。

【００２２】この後、発熱抵抗体層８を適当なブロック
に分けて考え、各ブロックがそれぞれ所定の抵抗値とな
るよう に、所定箇所に抵抗調整層８１を塗布して焼き
付ける。その後、各ブロック毎に抵抗値をチェックし
て、所定範囲に入らなければさらに、抵抗調整層８１を
塗布する作業を繰り返す。最終的にブロックが求める抵
抗値となれば全体を焼き付けて、給電体２を嵌め込み、
最後に離形層９を金属パイプ６表面から塗布すれば良
い。

【００２３】次に他の実施例について説明する。図４に
示す加熱ローラ１は金属パイプ６上に絶縁層（不図示）
を介して発熱抵抗体層８を備えたものである。この発熱
抵抗体層８は、比抵抗の異なる材質を連続的に形成して
なる。つまり、図４に示すように発熱抵抗体層８を５つ
のブロックに分け、両端の発熱抵抗体層８ａ，８ｅを比
抵抗の高い材質で構成し、最大通紙エリアである中央の
８ｂ〜８ｄは比抵抗の低い材質で構成すれば良い。この
ようにすれば予め両端部の抵抗値が高い発熱抵抗体層８
を得ることができる。なお、異なる材質を連続して形成
することは、互いに電気的に接続した状態で形成するこ
とを意味し、異なる材質同志が傾斜的に連続した状態と
したものでも良い。図４に示す加熱ローラ１を製造する
場合は、図２に示す実施の形態と同様であるが、発熱抵
抗体層８を塗布する際に各ブロックに分けて細かく抵抗
値を調整しても良いことは言うまでもない。

【００２４】

【実施例】実験例１ 次に、上述の加熱定着装置で発熱抵抗体層８を変化さ
せ、通紙領域と通紙領域外の設定温度に差を持たせ、１
００枚の連続印字後の定着性の変化をみる評価を行った
（表１）。 なお、発熱抵抗体層８を変化させる以外は
図２の構成と同様にし、以下の設定で実験を行った。

【００２５】機種名 Ecosys LS-3550（京セラ（株）） 加熱定着装置 金属パイプ：肉厚１．０ｍｍ、全長２６０ｍｍ、外径３
０ｍｍのアルミ素管 給電体：金属の表面をＡｇメッキ ヒータ容量：５００Ｗ ここで定着性とは、コットン５０％のギルバート紙（商
標名）に定着を行い、定着後の画像濃度から定着後の像
に１ｋｇの加重をかけて綿布で１０回こすり付けた後の
画像濃度の割合をパーセンテージで表したものである。

【００２６】

【表１】

【００２７】これにより定着領域より定着領域外の表面
温度の温度差を１５〜３５℃とした場合、表面温度のば
らつきを抑えて定着性が良好な範囲であることがわか
る。一方、１５℃以下なら熱容量が低いため、５枚以上
（１００枚）の連続通紙の定着性が悪い。また、３５℃
以上なら温度分布で加熱ローラ１の軸方向の温度分布の
高さで定着性をカバーできるものの、温度分布がばらつ
き、しかも加熱ローラ１の熱容量が低ためにオーバーシ
ュート値が大きくなることがわかる。これにより、加熱
ローラ１及び加圧ローラ５に悪影響を及ぼすこ可能性も
ある。

【００２８】実験例２ 次に、加熱ローラ１の発熱抵抗体層８の比抵抗を固定し
て通紙領域と通紙領域外の温度差を２０℃とし、金属パ
イプ６の肉厚を変化させて各５０枚の連続印字により定
着性及び金属パイプ６の歪みの評価を表２のようにおこ
なった。なお、発熱抵抗体層８と金属パイプ６の変化以
外は実験例１と同様の設定にした。

【００２９】

【表２】

【００３０】０．５〜１．５ｍｍの範囲の肉厚は定着性
は良好である。しかし、肉厚０．５未満のものについて
は、金属パイプ６に歪みができて、紙しわ率が高くな
る。一方、２．０ｍｍ以上になると熱容量が大きくなり
定着性が落ちることが理解できる。

【００３１】実施例３ 本発明の加熱ローラ１を用い、加圧ローラ５の材料を耐
熱シリコンゴムと耐熱性スポンジ状弾性体の定着性を比
較したものを表３に示す。なお、実験例１のプリンタを
用い、加圧ローラの形状は、全長２２０ｍｍ 、外径２
５ｍｍ、シャフト径８ｍｍで実験をおこなった。

【００３２】

【表３】

【００３３】表１より耐熱性スポンジ状弾性体は、耐熱
シリコンゴム系弾性体とその他のものより、より良く定
着性の向上が図られていることがわかる。これは加圧ロ
ーラ５の熱電導率が小さく断熱効果があることが影響し
ており、耐熱シリコンゴム系の熱伝導率より耐熱性スポ
ンジ状弾性体は熱伝導率が高いためであると考えられ
る。

【００３４】実験例４ 次に実験例２の耐熱性スポンジ状弾性体の加圧ローラ５
を用いた以外は実験例３と同様の構成を用い、加圧ロー
ラ５の圧接力を増すことで定着ニップ幅を変化させて、
ニップ幅と定着性の関係を図７に示した。高速プリンタ
では定着ニップ時間が短く十分にトナーに熱を与えられ
なく定着性が悪くなるため、およそニップ幅４．５ｍｍ
以上で定着性が安定していることがわかる。

【００３５】実験例５ 次に実験例３と同様のニップ幅を変化させて紙しわ率と
ニップ幅の関係の実験を行った。ここで紙しわ率とは、
各ニップ幅で１００枚用紙を定着させて、目視して観察
しうる範囲のしわの紙が何枚あるかをパーセンテージで
表した。図８より、ニップ幅５．５以上を越えると紙し
わ率が急激に高くなることがわかる。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、温度検知部材を通紙領域外に備えていても、
予め、連続通紙による通紙領域外の温度降下を予想し、
簡単に通紙領域内の温度分布を調整（発熱抵抗体層の比
抵抗の調整）することで均一な定着性を確立できる。

【００３７】また、通紙領域外に温度検知素子を配置し
ているので通紙領域内の離形層の寿命すなわち加熱ロー
ラの寿命を長くすることが出来るので資源の有効利用と
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の定着装置の側面方向の断面図

【図２】本発明の定着装置の長手方向の断面図

【図３】本発明の給電体の形状を示す図

【図４】本発明の他の実施例の発熱抵抗体層の構成を示
す図

【図５】本発明の加熱定着装置のニップ幅と定着性の関
係を示す図

【図６】本発明の加熱定着装置のニップ幅と紙しわ率の
関係を示す図

【符号の説明】

１ ：加熱ローラ ２ ：給電体 ３ ：摺動電極 ４ ：軸受け部材 ５ ：加圧ローラ ６ ：薄肉ローラ基体 ７ ：絶縁層 ８ ：発熱抵抗体層 ９ ：離形層 １０：バネ材

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱伝導性ローラ面に少なくとも絶縁層を介
   して発熱抵抗体層が積層された中空円筒状加熱ローラ
   と、前記中空円筒状加熱ローラの発熱抵抗体層に電力を
   供給する給電体と、前記中空円筒状加熱ローラ表面に接
   触し、その温度状態を検知する温度検知素子と、前記中
   空円筒状加熱ローラ表面に圧接され、その圧接部に用紙
   を通紙させる圧接ローラとを備えた加熱定着装置におい
   て前記温度検知素子を前記中空円筒状加熱ローラの用紙
   通紙領域外に備え、前記通紙領域における表面温度より
   も通紙領域外の表面温度が１５〜３５℃高くなるように
   前記用紙通紙領域外の前記発熱抵抗体層の比抵抗を用紙
   通紙領域における前記発熱抵抗体層の比抵抗よりも大き
   くすると共に、前記中空円筒状加熱ローラの軸方向両端
   開口部を給電体で封止し、両端を封止した給電体の周囲
   に複数の小径孔を形成したことを特徴とする加熱定着装
   置。