JP3759348B2 - 加熱定着装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子写真複写機、ファクシミリ、プリンタなどの電子写真プロセスを利用した機器に使用される加熱定着装置に関し、特に、ローラ芯金内周面に絶縁層を介して抵抗発熱層が配置された定着ローラを有する加熱定着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真装置におけるトナー画像の定着方法としては、加熱定着方法、圧力定着方法、溶剤定着方法が知られている。加熱定着方法は、加熱した定着ローラを回転させながら、この回転する定着ローラと加圧ローラとでトナー像が転写された用紙を挟持搬送させ、その際トナー像を加熱溶融して用紙上に融着させるものである。
【０００３】
加熱定着方法の中で最も一般的なのが、金属ローラの内面からハロゲンランプで加熱する形式のものである。ところが、当該形式のものは輻射熱を利用するので、エネルギーの変換効率が悪く、消費電力が嵩み、またウォームアップタイムが長いという欠点がある。
【０００４】
また、近年の環境規制、環境保護意識の高まりから、各種電子写真装置は不使用時において定着ヒータへの通電を遮断し必要な時のみ通電することにより、消費電力を低減することが行われている。
このような省エネルギー型の電子写真装置では、プリント時に定着ローラの表面温度が即座にプリント可能な設定温度まで達するようにすることが要求されている。
【０００５】
そこで、上述した欠点を解決し、要求を満たすための手段の一つとして、金属芯金に絶縁層を介してまたは絶縁性の芯金に、発熱層と離型層を備えるようにした、直接加熱方式の定着ローラが提案されている。
【０００６】
ところで、ハロゲンランプ内蔵の定着ローラあるいは上述の直接加熱方式の定着ローラの何れにおいても、定着ローラの温度制御に異常が生じた場合は、加熱源（ハロゲンランプあるいは発熱層）に通電し続けることで、定着ローラ表面の温度が設定温度を上回る過昇温状態となってしまう。
【０００７】
定着ローラ表面がこのように加熱されると、周囲の機器を破損するおそれがあり、また、定着部で紙詰まりなどが発生していれば発火する危険もある。このような不測の事態を防止するために、定着ローラ表面の過昇温を監視し、過昇温状態となったときに通電を強制的に遮断する過昇温防止装置が備えてある。この過昇温防止装置は、具体的にはサーモスタットや温度ヒューズであり、定着ローラに設けられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、直接加熱方式の定着ローラは、ハロゲンランプで加熱する方式に比べてウォームアップタイムが短い（すなわち温まりやすい）ため、温度制御に異常が生じた場合（ＣＰＵが暴走した場合）、ハロゲンランプ方式に比べ短時間で高温となる。ここで過昇温防止のための温度ヒューズは、熱容量が大きく応答性が悪いので、高温となって電流が切れるまでの間にタイムラグがあるため、ＣＰＵが暴走した場合、昇温が遅いハロゲンランプ方式の定着装置では発火しなくても、昇温が速い直接加熱方式の定着装置では発火温度まで上がってしまう危険性がある。
【０００９】
一方、上記の不具合が解消するために、温度ヒューズが切れる温度（過昇温防止装置の作動設定温度）を低下させると、通常使用時に異常がないにも拘わらず誤作動して温度ヒューズが切れてしまうことがある。
【００１０】
本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、芯金の内側に発熱層を有する定着装置において、温度制御に異常が生じて定着ローラが過昇温したときに、異常を早期に検知して（タイムラグを抑えて）温度上昇を抑え、発火等の危険を防ぐことを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、ローラ芯金内周面に絶縁層を介して抵抗発熱層が配置された定着ローラと、この定着ローラに圧接する加圧ローラと、定着ローラの表面に設けられ、定着ローラの過昇温時に抵抗発熱層への通電を遮断する過昇温防止手段とを備えた加熱定着装置において、前記過昇温防止手段が、発熱パターンに基いて形成された抵抗発熱層と対向する定着ローラの表面位置に配置され、そして、前記抵抗発熱層の支持部材が、前記過昇温防止手段と対向するローラ芯金の内部に配置されたことを特徴としている。
【００１２】
上述したように本発明では、過昇温防止手段が、発熱パターンに基いて形成された抵抗発熱層と対向する定着ローラの表面位置に配置され、そして、前記抵抗発熱層の支持部材が、前記過昇温防止手段と対向するローラ芯金の内部に配置されることで、過昇温防止手段に時間的遅れが無く定着ローラの熱を伝えることができるので、定着ローラが過昇温状態になったとき速やかに通電を遮断し、事故を未然に防止することができる。
【００１３】
また、過昇温防止手段に対向するローラ芯金内部に配置した抵抗発熱層の支持部材により過昇温防止手段付近の抵抗発熱層の過昇温による浮きや剥がれを防止できるので、過昇温防止手段に対する熱伝導の遅延を生じることが無く、熱伝導の遅延により定着ローラの表面温度が高温になることがない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明が適用される加熱定着装置の定着ローラの構成図である。
本発明は前述したように、直接加熱方式の定着ローラを対象としている。この定着ローラ１は、金属製のローラ芯金１２の外側に離型層１１を有し、ローラ芯金１２の内側に絶縁層１３を設け、さらにその内側に発熱層１４を形成する。各層の間に必要に応じて耐熱性を有する接着剤が使用される。外部の電源から電極ブラシ（図示せず）、電極１５を通じて発熱層１４に給電される。
【００１５】
離型層１１はＰＦＡやＰＴＦＥ樹脂が使用される。ローラ芯金１２は、アルミニウムや鉄などの金属材料で出来ている。絶縁層１３は、ポリイミド樹脂、アラミド樹脂、マイカ、アルミナ、シリカなどの耐熱絶縁材料が使用される。発熱層１４は、ステンレス、セラミックス、炭素繊維などが使用される。発熱層１４は、抵抗調整のため、あるパターンの形状をしている。図３にステンレスを使用した場合の発熱層のパターンの一例を示す。パターンはこのほかの形状でも螺旋形状でも構わない。
【００１６】
そして、定着ローラ１の表面には、サーモスタットや温度ヒューズ等から構成される安全装置（過昇温防止手段）２１が設置される。定着ローラ１は、温度センサで表面温度が監視されており、設定温度範囲に温度制御されるようになっているが、ＣＰＵの暴走により温度制御不能になる場合がある。そうなると、定着ローラ１の表面温度が設定温度の上限値（許容値）を越えてしまい、発火等の事故を引き起こす虞がある。
【００１７】
安全装置２１は、このような事故を未然に防止するためのものであり、定着ローラ１の表面温度が許容値を超える値近傍の温度に達したら、つまり過昇温の初期状態に達したら発熱層１４への通電を遮断することで、それ以上の昇温を防止するようになっている。
【００１８】
図２は本発明の第１の参考例を示す定着装置の定着ローラ側の要部拡大図である。この図は図１のＡ部を拡大したものである。第１の参考例では、安全装置２１を、発熱パターン１４ａに基いて形成された発熱層１４（図１参照）と対向する定着ローラの表面位置に設けたものである。
【００１９】
このように安全装置２１を発熱パターン１４ａに基いて形成された発熱層１４と対向する位置に設けることで、温度制御が不能になり定着ローラ１の表面が過昇温状態になった場合、早期にこれを検知し、過昇温の初期状態（比較的低い温度の状態）で安全装置２１を作動させ、発熱層１４への通電を遮断することができる。
【００２０】
図４は本発明の第２の参考例を示す定着装置の定着ローラ側の外観図、図５は同じく断面図である。
この参考例では、ローラ芯金１２の肉厚が、中央部において両端部より薄くなっている。具体的には、ローラ芯金１２の外表面が中央から両端部に向けて上向きとなるテーパとなっており、外径は中央が最も小さく、且つ内径は軸方向に一様であるため、ローラ芯金１２の肉厚は中央が最も薄くなっている。そして、安全装置２１は、ローラ芯金１２の肉厚が最も薄い定着ローラ１の軸方向中央部に設けられる。
【００２１】
このようにすると、発熱層１４の発熱は速やかに安全装置２１に伝わるので、第１の参考例と同様に、早期に定着ローラ１の過昇温を検知することができる。なお、ローラ芯金１２の肉厚が最も薄い箇所は、ローラの中央に限らず任意に設定することができる。
【００２２】
図６は本発明の第３の参考例を示す定着装置の構成図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。
定着ローラ１にはその下方から加圧ローラ２が圧接している。定着ローラ１はその端部に設けたギヤ３を介して外部から駆動力が伝達され、加圧ローラ２は定着ローラ１に従動する。未定着トナー像が形成された用紙は、トナー像を定着ローラ１側に向けて両ローラ１、２のニップ部に通紙される過程で定着が行われる。符号４は定着ローラ１の軸受を示す。
安全装置２１は、定着装置を電子写真装置本体に組み込んだ状態で、定着ローラ１の頂部（最上位位置）に配置される。
【００２３】
図７は図６の変形例を示す定着装置の側面図である。
図６の例では、加圧ローラ２が定着ローラ１の真下ではなく、斜め下方に設置されているが（従って、用紙は斜め方向に通紙される）、図７の例では加圧ローラ２を定着ローラ１の真下に設置したものである（従って、用紙は水平に通紙される）。
【００２４】
図６、図７に示すように、安全装置２１を定着ローラ１の頂部に設けることで、第１、 第２の参考例と同様に、定着ローラ１の過昇温状態を早期に検知して、安全対策（発熱層１４への通電の遮断）を講じることができる。
【００２５】
上記第１ないし第３の参考例の構成でＣＰＵの暴走試験を行ったが、定着ローラ１と加圧ローラ２に挟まれた用紙から発火が起こる前に、安全装置２１が機能した。
【００２６】
図８は本発明との比較例を示す構成図である。
この比較例は、発熱パターン１４ａに基いて形成された発熱層１４と対向する位置からずれた定着ローラの表面位置で、且つ、電子写真装置に搭載された状態で定着ローラ１の側面位置に安全装置２１を設けたものである。
この構成で各実施形態と同様のＣＰＵ暴走試験を行ったところ、定着ローラ１と加圧ローラ２に挟まれた用紙が発火した。
【００２７】
次に、定着ローラの内面に発熱体の支持部材を設けた実施形態について説明する。なお、以下では一例として、図１〜３に示される第１の参考例に支持部材を設けた場合について説明するので、共通部分には同一の符号を付しその説明を省略する。
【００２８】
（第１の実施形態）
図９は本発明の第１の実施の形態を示す定着装置の定着ローラの構成図であり、図１０は本発明の第２の実施の形態を示す定着装置の定着ローラの構成図であり、図１１は本発明の第３の実施の形態を示す定着装置の定着ローラの構成図であり、図１２は支持部材の変形例を示す図である。
【００２９】
図９〜図１１の実施形態における定着ローラの支持部材１６は、ローラ芯金１２を介して安全装置２１と対向する位置に配置されている。この支持部材１６はセラミックスやポリイミド等の耐熱性を有する絶縁材料、もしくは絶縁性を有する耐熱材料を金属の発熱体側表面に形成したものが用いられる。
【００３０】
支持部材１６は抵抗発熱層としての発熱層１４を押さえる役割をしており、高温での強度があれば、中空でも構わない。中空形状にすると支持部材１６の熱容量が低減されるため、安全装置２１の応答性が向上する。即ち、安全装置２１の過昇温時検知が早くなる。
【００３１】
また、支持部材１６の支持面に凹凸を設けると、発熱層１４と支持部材１６との接触面積が減少する。その結果、支持部材１６への熱伝導が悪くなるため、安全装置２１の応答性が向上する。
【００３２】
図９に示すように、第１の実施の形態の定着装置の定着ローラでは、ローラ芯金１２を介して安全装置２１と対向する位置に発熱層１４を支持する支持部材１６を配置した。支持部材１６には図１２（Ａ）のような中実円筒形状に形成したポリイミド樹脂を使用した。
【００３３】
この定着ローラの暴走試験（温度制御を行わず、故意に異常昇温状態で評価する試験）を行った。ローラ表面温度は４５０℃で安全装置が作動し、定着ユニット周辺の部品に熱による変形等の異常は見られなかった。試験後にローラ内部を観察すると発熱層１４が剥がれた箇所が数カ所見られたが、支持部材１６の箇所は発熱層１４、絶縁層１３及びローラ芯金１２は接触状態を保っていた。
【００３４】
（第２の実施形態）
図１０、図１２（Ｂ）に示すように、第２の実施の形態の定着装置の定着ローラでは、支持部材１６として中空円筒形状したセラミックスを使用した。
この定着ローラの暴走試験では、ローラ表面温度は４３０℃で安全装置２１が作動し、定着ユニット周辺の部品に熱による変形等の異常は見られなかった。試験後にローラ内部を観察すると発熱層１４が剥がれた箇所が数カ所見られたが、支持部材１６の箇所は発熱層１４、絶縁層１３及びローラ芯金１２は接触状態を保っていた。
【００３５】
前記支持部材１６として図１２（Ｂ）に示す支持部材の代わりに図１２（Ｃ）、（Ｄ）に示すものを用いてもよい。なお、図１２（Ｄ）は図１２（Ｃ）のＸ部分を拡大して示す一部拡大図である。この例では、セラミックス製中空円筒形状の支持部材１６の発熱体支持面に図１２（Ｃ）、（Ｄ）に示すような凹凸３１を設けた。この支持部材１６を設けた定着ローラの暴走試験を行った。ローラ表面温度は４２０℃で安全装置２１が作動し、定着ユニット周辺の部品に熱による変形等の異常は見られなかった。試験後にローラ内部を観察すると発熱層１４が剥がれた箇所が数カ所見られたが、支持部材１６の箇所は発熱層１４、絶縁層１３及びローラ芯金１２は接触状態を保っていた。
【００３６】
また、図１２（Ｅ）に示すように、円筒の内側にリブ３２を有するポリイミド製の支持部材１６を用いてもよい。該図１２（Ｅ）に示す支持部材１６を用いた定着ローラの暴走試験を行った。この定着ローラの暴走試験は、ローラ表面温度は４３０℃で安全装置２１が作動し、定着ユニット周辺の部品に熱による変形等の異常は見られなかった。試験後にローラ内部を観察すると発熱体が剥がれた箇所が数カ所見られたが、支持部材１６の箇所は発熱層１４、絶縁層１３及びローラ芯金１２は接触状態を保っていた。
図１２（Ｅ）に示す例は補強の一例であり、図１２（Ａ）に示す中実のものより熱容量を下げ、且つ暴走試験で発熱層１４が保持できればリブの数、形状は問わない。
【００３７】
（第３の実施形態）
図１１に示すように、第３の実施の形態の定着装置の定着ローラでは、支持部材１６として中空円筒形状のアルミニウムを使用し、ポリイミドの絶縁層１７（支持部材１６とともに発熱層１４を支持している）を介してローラ内面の安全装置２１と対向する位置に配置した。
【００３８】
この定着ローラの暴走試験は、ローラ表面温度は４３０℃で安全装置２１が作動し、定着ユニット周辺の部品に熱による変形等の異常は見られなかった。試験後にローラ内部を観察すると発熱層１４が剥がれた箇所が数カ所見られたが、支持部材１６の箇所は発熱層１４、絶縁層１３、１７及びローラ芯金１２は接触状態を保っていた。
【００３９】
上述したように、ローラ内面に、ローラ芯金を介して安全装置と対向する位置に発熱層の支持部材を設けたので、定着ローラが過昇温した場合に安全装置付近の発熱層がローラ芯金および絶縁層から剥がれることがない。このため、過昇温が素早く検知され、定着ユニット周辺の装置および部品の破損を防ぐことが出来る。
【００４０】
また、支持部材を中空円筒形状とした場合には、中実品より熱容量が小さく、安全装置の応答性が向上する。このため、過昇温が素早く検知され、定着ユニット周辺の装置および部品の破損を防ぐことが出来る。
【００４１】
また、支持部材を金属製中空円筒形状とした場合には、中実品より熱容量が小さい。このため、通常使用における定着ローラの表面温度分布に影響なく、均一な温度が得られ、過昇温が起きた場合に安全装置付近の発熱層がローラ芯金および絶縁層から剥がれることがない。このため、過昇温が素早く検知され、定着ユニット周辺の装置および部品の破損を防ぐことが出来る。さらに、鉄、アルミニウム、銅などの金属は４００〜５００℃の高温でも剛性を持ち、且つ加工性に富んでいるため、中空円筒形状を容易に製作することが可能である。また、絶縁材料を支持体と発熱層との間に形成しているので発熱層は絶縁される。
【００４２】
また、支持部材をセラミックス製とした場合には、支持部材と発熱層との間に絶縁材料を形成することなく、且つ高温での支持機能を満足することが出来る。
【００４３】
また、支持部材の支持面に凹凸を形成した場合には、発熱層を押さえている範囲は変わらず、発熱層と支持部材との接触面積が低減され、支持部材への熱伝導が悪くなる。このため、凹凸を形成しない場合よりも過昇温が素早く検知され、定着ユニット周辺の装置および部品の破損を防ぐことが出来る。
【００４４】
また、支持部材の円筒内側にリブを形成した場合には、支持部材を薄くしても暴走時の発熱層剥がれを押さえることができ、また支持部材の熱容量が低減されるため、安全装置の応答性が向上する。
【００４５】
図９〜図１１に示した実施形態では、図１〜３に示される第１の参考例に支持部材を設けた場合について説明したが、図４、５の第２の参考例、図６の第３の参考例、図７の変形例等にも同様に組み合わせることが出来る。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、過昇温防止手段が、発熱パターンに基いて形成された抵抗発熱層と対向する定着ローラの表面位置に配置され、そして、前記抵抗発熱層の支持部材が、前記過昇温防止手段と対向するローラ芯金の内部に配置されたので、定着ローラが過昇温した場合に、過昇温防止手段付近の抵抗発熱層がローラ芯金および絶縁層から剥がれることがない。このため、過昇温が素早く検知され、比較的低い温度で抵抗発熱層への通電を遮断し発火を防ぐことができ、定着ユニット周辺の装置および部品の破損を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明が適用される加熱定着装置の定着ローラの構成図である。
【図２】 本発明の第１の参考例を示す定着装置の定着ローラ側の要部拡大図である。
【図３】 発熱層のパターンの一例を示す図である。
【図４】 本発明の第２の参考例を示す定着装置の定着ローラ側の外観図である。
【図５】 同じく断面図である。
【図６】 本発明の第３の参考例を示す定着装置の構成図である。
【図７】 図６の変形例を示す定着装置の側面図である。
【図８】 本発明との比較例を示す構成図である。
【図９】 本発明の第１の実施の形態を示す定着装置の定着ローラの構成図である。
【図１０】 本発明の第２の実施の形態を示す定着装置の定着ローラの構成図である。
【図１１】 本発明の第３の実施の形態を示す定着装置の定着ローラの構成図である。
【図１２】 支持部材の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１ 定着ローラ
２ 加圧ローラ
１１ 離型層
１２ ローラ芯金
１３ 絶縁層
１４ 発熱層
１４ａ 発熱パターン
１５ 電極
１６ 支持部材
１７ 絶縁層（支持部材）
２１ 安全装置
３１ 支持部材の凹凸
３２ リブ

Claims (1)

1. ローラ芯金内周面に絶縁層を介して抵抗発熱層が配置された定着ローラと、この定着ローラに圧接する加圧ローラと、定着ローラの表面に設けられ、定着ローラの過昇温時に抵抗発熱層への通電を遮断する過昇温防止手段とを備えた加熱定着装置において、
   前記過昇温防止手段が、発熱パターンに基いて形成された抵抗発熱層と対向する定着ローラの表面位置に配置され、そして、前記抵抗発熱層の支持部材が、前記過昇温防止手段と対向するローラ芯金の内部に配置されたことを特徴とする加熱定着装置。

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