JP3933171B2 - 加熱定着装置 - Google Patents

Description

本発明は、複写機やプリンター等に用いられるセラミックスヒーターを具備した加熱定着装置に関する。

ファクシミリや複写機、プリンター等におけるトナー画像の定着装置では、加熱ローラと該加熱ローラに接する加圧ローラとによって、感光ドラムから未定着のトナー画像が転写された記録紙等の転写材を挟持搬送しつつ加熱することにより、未定着のトナー画像を転写材上に定着する加熱ローラ方式が一般に多用されている。この加熱ローラ方式における従来の加熱ローラは、円筒状の金属ロール中にハロゲンランプなどの熱源を設置し、その熱で金属ロールを加熱することにより、トナー画像を定着させるものであった。

近年、加熱ローラの加熱部にセラミックスヒーターを用いたもの、即ち絶縁性セラミックスからなる基板上に線状の発熱体を設け、この発熱体にパルス通電して加熱するものが実用化されている。この方式の加熱定着装置は、特開平０１−２６３６７９号公報、特開平０２−１５７８７８号公報、特開昭６３−３１３１８２号公報等に記載されている。

具体的には、例えば図１に示すように、セラミックス基板上に発熱体を設けたセラミックスヒーター１を樹脂製の支持体２ａに取り付けて加熱ローラ２を構成し、このセラミックスヒーター１に接して加圧ローラ３を配置し、更にセラミックスヒーター１と加圧ローラ３との間に加圧ローラ３とほぼ同一の速度で耐熱性フィルム４を移動させることにより転写材５を搬送し、加圧ローラ３による加圧と耐熱性フィルム４を介したセラミックスヒーター１による加熱とによってトナー画像を転写材５に定着させている。尚、この加熱定着装置のセラミックスヒーター１は、図２に示すように、セラミックス基板１ａに発熱体１ｂを形成し、その表面にグレーズ等の保護層１ｃを被覆したものである。

また、上記のセラミックスヒーター１は接着剤によって樹脂製の支持体（ステー）２ａに取り付けられる。その場合、図１のようにセラミックスヒーター１の裏面のほぼ全体を支持体２ａに密着させ、複数箇所を接着剤（図示せず）で接合する取付方法と、図２のごとく支持体２ａの長手方向に沿って設けた複数のレール２ｂ上にセラミックスヒーター１を支持し、複数のレール２ｂ間に複数箇所配置した接着剤６でセラミックスヒーター１と支持体２ａを接合する取付方法とがある。いずれの取付方法においても、加圧ローラ３に対して平行にセラミックスヒーター１が取り付けられている。

このようなセラミックスヒーターを用いた加熱ローラ方式の加熱定着装置においては、セラミックスヒーターの熱容量が金属製のロールを用いた従前の方式に比較して非常に小さいため、消費電力を低減できるなどの利点がある。

特開平０１−２６３６７９号公報 特開平０２−１５７８７８号公報 特開昭６３−３１３１８２号公報

このように、加熱ローラ方式の加熱定着装置では、支持体にセラミックスヒーターを取り付けた加熱ローラと、表面が弾性的な加圧ローラとの間に耐熱性フィルムを走らせ、両ローラ間に未定着のトナー画像を形成した転写材を定速で送り込むことによって、トナー画像が加熱加圧されて転写材上に定着される。

一方、この種の加熱定着装置の処理能力向上に対する要求は最近ますます加速し、従来は４ｐｐｍ（４Ｐａｇｅ Ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ；Ａ４用紙を１分間に４枚印刷する速度）程度の送り速度であったものが、８ｐｐｍから１６ｐｐｍ、更には３２ｐｐｍへと、急速に高速化しつつある。このように送り速度が高速化するにつれて、同じ熱量をトナー画像に付与して同じ定着強度を得るためには、単純に考えれば転写材の進行方向でのセラミックスヒーターの均熱距離を送り速度に比例して延長する必要がある。その結果として、セラミックスヒーターの加熱部の面積を広げ、セラミックス基板の面積も大きくする必要がある。

このような状況から、セラミックスヒーターと加圧ローラとの間の圧力（定着圧力）を高くすることにより、加圧ローラとセラミックスヒーターの間に形成されるニップ幅を増大することが行われている。尚、加圧ローラと加熱ローラは、加熱ローラのヒーター部で転写材を挟んで密着する方向に、両ローラ間を結ぶバネによって加圧される。この場合、加圧ローラは前述の様に変形しやすい弾性体で形成されているので、図１及び図２に示すように加圧ローラ３の表面が変形して加熱ローラ２とある一定の幅ｎで密着した状態となり、この幅ｎをニップ幅という。

ニップ幅ｎは、一般にセラミックスヒーター１の対応する幅に比べ短めに設定されるが、定着圧力を上げてゆくにつれてニップ幅ｎは大きくなる。このため、セラミックスヒーター１内では、その短手方向の両端の部分であっても中央部に近い温度を有しているので、定着圧力を上げ、ニップ幅ｎを大きくすることによって均熱距離を稼ぐことができるのである。

しかしながら、定着時に転写材自体がセラミックスヒーターからの熱によって膨張するので、ニップ幅ｎを増大するために定着圧力を高くすると、熱膨張した転写材の逃げ場がなくなり、そのために転写材に皺が発生するという問題点があった。セラミックスヒーターの面積及び加圧ローラの大きさを増大すれば、余り高い定着圧力でなくても同様にニップ幅ｎを拡大できるが、装置全体が大型化するので好ましくない。

本発明は、このような従来の事情に鑑み、セラミックスヒーターや加圧ローラを含めた装置全体を大型化することなく、セラミックスヒーターの均熱距離を延長し、転写材の送り速度を高めることにより、高速化が可能な加熱定着装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明が提供する加熱定着装置は、セラミックス基板上に形成された発熱体を含むセラミックスヒーターと、セラミックスヒーター上を摺動する耐熱性フィルムと、セラミックスヒーターに対向して配置され耐熱性フィルムの上に圧力を加える加圧ローラとを備え、該加圧ローラによる加圧と前記耐熱性フィルムを介した前記セラミックスヒーターによる加熱とによって、耐熱性フィルムと加圧ローラとの間に挟まれて移動する転写材の表面に形成されたトナー画像を定着させる加熱定着装置であって、前記セラミックスヒーターを前記加圧ローラに対して湾曲させることにより、前記セラミックスヒーターと前記加圧ローラとの間で形成されるニップ幅が前記発熱体又は加圧ローラの長手方向の中央部と両端部とで異なり、長手方向中央部のニップ幅Ａと長手方向両端部のニップ幅Ｂとが１.０５＜Ｂ／Ａ＜１.５となっていることを特徴とする。

本発明によれば、セラミックスヒーターや加圧ローラの大きさ及びその取付距離を殆ど変えず、装置全体を大型化することなく、セラミックスヒーターの均熱距離を長手方向に変化させ且つ部分的に延長することができ、送り速度を高めても転写材に皺が発生せず、同時に優れたトナー定着性を維持することができる、高速化が可能なセラミックスヒーターを用いた加熱定着装置を提供することができる。

セラミックスヒーターは加圧ローラに対してほぼ平行に取り付けられているため、定着時における転写材の熱膨張や、転写材の投入が斜めになった場合に、紙皺が発生し、ミスプリントとなってしまう。このメカニズムは以下のように考えられる。加熱定着装置に転写材が投入された場合、セラミックスヒーターから発生する熱により転写材が熱膨張する。熱膨張した転写材は、定着圧力が一定であるため一定速度で送られ、なおかつ定着圧力が大きくなると転写材の自由度は小さくなるため、転写材が膨張した分だけ紙面上に皺が発生する。

これに対して本発明は、セラミックスヒーターと加圧ローラとの間で形成されるニップ幅を、発熱体又は加圧ローラの長手方向における中央部と両端部とで異なるように構成した。かかる構成によれば、定着面においてニップ幅の大きい部分と小さい部分が存在し、当然のことながらニップ幅の大きい部分は小さい部分と比較して熱の加わる面積が大きくなる。その結果、転写材の熱膨張も、ニップ幅の大きい部分ではニップ幅の狭い部分よりも大きくなる。これらのことから、ニップ幅の小さい部分がニップ幅の大きい部分よりも相対的に転写材の送り速度が大きくなるため、常にニップ幅の大きい部分と小さい部分の間で転写材に張力が働き、転写材は常に引っ張られた状態で移動するため皺の発生率を大幅に低減することができる。

本発明のセラミックスヒーターにおいては、発熱体又は加圧ローラの中央部に形成されるニップ幅Ａと、その両端部に形成されるニップ幅Ｂとの比率を、１.０５＜Ｂ／Ａ＜１.５の範囲とする。この比率が１.００≦Ｂ／Ａ≦１.０５のときには、発熱体又は加圧ローラの中央部と両端部において転写材に働く張力の差が小さいため、転写材の皺発生を低減する効果が小さくなる。

また、上記比率が１.５≦Ｂ／Ａの場合には、転写材の皺発生は防止できるが、発熱体又は加圧ローラの中央部と両端部におけるニップ幅の差が大きすぎるため、中央部と両端部でトナーの定着性が異なり好ましくない。即ち、ニップ幅が広い部分におけるトナーの定着性が良好な場合、ニップ幅の狭い部分は加熱時間が短くなり過ぎるため定着が不十分となり、低温オフセットが生じることがある。また逆に、ニップ幅の狭い部分でトナーの定着性が良好な場合には、ニップ幅の広い部分ではトナーに熱が加わり過ぎるため、高温オフセットを生じやすい。

尚、低温オフセットとは、定着時にトナーが十分に溶融しないため、転写材上のトナーの一部が耐熱性フィルムに付着する現象であり、付着したトナーは耐熱性フィルムが一回転した時に再度転写材に付着し、２重もしくは３重、４重に定着してしまう。また、高温オフセットとは、定着温度が所定温度よりも高いために転写材にもトナーが定着するが、トナーが溶触し過ぎて粘度が低下し、一部が耐熱性フィルムに付着する現象であり、このため低温オフセットと同様にトナーが転写材に２重もしくは３重、４重に定着してしまう。

上記のごとくニップ幅を発熱体又は加圧ローラの中央部と両端部とで異なる様に構成する方法としては、セラミックスヒーターを加圧ローラに対して湾曲させて取り付けるか、又は加圧ローラの直径をその中央部と両端部の間で漸次変化させる方法が、簡単であり且つ有効である。

まず、セラミックスヒーターを加圧ローラに対して湾曲させて取り付ける方法では、初めに基準となる位置を決めるために、セラミックスヒーター表面と加圧ローラ軸中心との間の距離を計りながら、加圧ローラとセラミックスヒーターとの間に生じるニップ幅を測定する。その後、セラミックスヒーターのセラミックス基板側を支持体に取り付ける際に、図３に示すように、セラミックスヒーター１の長手方向の中心部と両端部に加える圧力を調整してセラミックスヒーター１を湾曲させながら接着剤６で接着するか、又は予め湾曲させた支持体にセラミックスヒーターを接着剤６で取り付ける。セラミックスヒーター１の湾曲の程度としては、発熱体の中央部と両端部との段差（高低差）にして両端部を０.０５〜１ｍｍ程度高くすることが好適である。

また、加圧ローラの直径を漸次変えることにより、ニップ幅を発熱体又は加圧ローラの中央部と両端部で変えることもできる。即ち、図４に示すように、加圧ローラ３の中央部と両端部との間で、中央部から両端部に向かって直径が徐々に太くなるように変化させる。この場合の加圧ローラ３の中央部と両端部との半径差としては、０.０５〜０.５ｍｍ程度が好適である。

［実施例１］
図５及び図６に示すように、長さ３００ｍｍ×幅１０ｍｍ×厚み１.０ｍｍのアルミナ基板１ａの表面に、Ａｇ−Ｐｄの発熱体１ｂと通電用のＡｇ電極１ｄをスクリーン印刷により形成し、大気中において８００℃で焼成した。その後、絶縁のために、発熱体１ｂを覆うようにグレーズをスクリーン印刷で形成し、大気中において６００℃で焼成して保護層１ｃを設けた。尚、この発熱体１ｂの寸法は、長さ２３０ｍｍ×幅１.５ｍｍであった。

得られたセラミックスヒーター１を、図２に示すように接着剤６で樹脂製の支持体２ａに水平に取り付け、加熱ローラ２を作製した。この加熱ローラ２に、図２に示すように、耐熱性フィルム４、及び加圧ローラ３を取り付けて加熱定着装置を構成した。

この加熱定着装置において、下記表１に示すように中央部と両端部の直径を変化させた加圧ローラを使用して、送り速度が８枚／分（Ａ４用紙）、定着圧力を１２ｋｇとして定着試験を行った。尚、加圧ローラ３とセラミックスヒーター１との距離は、全ての試料において、直径２４.０ｍｍ（一定）の加圧ローラを用いた場合と同一とした。

定着試験により得られたトナーの定着性及び紙皺の発生率を、加圧ローラの中央部のニップ幅Ａ及び端部のニップ幅Ｂ、並びにニップ幅の比率Ｂ／Ａと共に下記表１に示した。尚、ニップ幅の測定は、セラミックスヒーター上にグリースを一面に薄く塗布し、耐熱性フィルムを取り付けずに加圧ローラと密着させ、所定の定着圧力を加えたときに加圧ローラに付着したグリースの幅を、加圧ローラの中央部と端部で測定した値である。

（注）表中の＊を付した試料は比較例である。また、定着性における「○」は定着面を紙でこすったときにトナーの剥がれ殆どないもの、「△」は半分程度が剥がれるもの、「×」は殆どが剥がれるものを示す。

上記結果から、加圧ローラの中央部と端部のニップ幅の比率Ｂ／Ａを１.０５より大きくすることにより、この比率Ｂ／Ａが１.００（加圧ローラの直径一定）の場合に比べて、紙皺の発生率が少なくなることが分かる。しかし、このニップ幅の比率Ｂ／Ａが１.５以上になると、紙皺の発生率は低くても、トナーの定着性が低下する傾向にある。

［実施例２］
前記実施例１と同様に作製したセラミックスヒーターを用い、このセラミックスヒーターを支持体に取り付けて加熱ローラとした。その際に、セラミックスヒーターをそのまま支持体に取り付けるか、又は湾曲させて中央部と端部とで支持体との間の距離を変えて取り付けた。

この加熱ローラを、耐熱性フィルム、及び直径２４ｍｍ（一定）の加圧ローラと組み合わせて加熱定着装置を構成し、実施例１と同様の定着実験を実施し、得られた結果を表２に示した。この試験では、全ての試料において、加圧ローラは湾曲していない平坦なセラミックスヒーターに対する場合と同じ位置に取り付けた。

尚、セラミックスヒーターの湾曲度は、両端部を支持体に密着させたときのセラミックスヒーター表面を基準とし、その密着部におけるセラミックスヒーターの表面と密着していない中央部における表面との高低差を測定して表示した。また、ニップ幅は、実施例１と同様の方法により測定した。

（注）表中の＊を付した試料は比較例である。また、トナー定着性については上記表１と同様に評価した。

上記結果から、セラミックスヒーターを湾曲させることにより、加圧ローラ又は発熱体の中央部と端部のニップ幅の比率Ｂ／Ａを１.０５より大きくすることにより、この比率が１.００（セラミックスヒーターの湾曲なし）の場合に比べて、紙皺の発生率が少なくなることが分かる。しかし、このニップ幅の比率Ｂ／Ａが１.５以上になると、紙皺の発生率は低くても、トナーの定着性が低下する傾向にある。

セラミックスヒーターを用いた加熱定着装置の一具体例を示す概略の断面図である。 セラミックスヒーターを用いた加熱定着装置の別の具体例を示す概略の断面図である。 本発明においてセラミックスヒーターを湾曲して支持体に取り付けた加熱ローラの一具体例を示す概略の断面図である。 本発明において直径を変化させた加圧ローラの一具体例を示す概略の側面図である。 実施例で用いたセラミックスヒーターを示す概略の平面図である。 実施例で用いたセラミックスヒーターを示す概略の断面図である。

符号の説明

１ セラミックスヒーター
１ａ セラミックス基板
１ｂ 発熱体
１ｃ 保護層
２ 加熱ローラ
２ａ 支持体
３ 加圧ローラ
４ 耐熱性フィルム
５ 転写材
６ 接着剤

Claims (1)

1. セラミックス基板上に形成された発熱体を含むセラミックスヒーターと、セラミックスヒーター上を摺動する耐熱性フィルムと、セラミックスヒーターに対向して配置され耐熱性フィルムの上に圧力を加える加圧ローラとを備え、該加圧ローラによる加圧と前記耐熱性フィルムを介した前記セラミックスヒーターによる加熱とによって、耐熱性フィルムと加圧ローラとの間に挟まれて移動する転写材の表面に形成されたトナー画像を定着させる加熱定着装置であって、前記セラミックスヒーターを前記加圧ローラに対して湾曲させることにより、前記セラミックスヒーターと前記加圧ローラとの間で形成されるニップ幅が前記発熱体又は加圧ローラの長手方向の中央部と両端部とで異なり、長手方向中央部のニップ幅Ａと長手方向両端部のニップ幅Ｂとが１.０５＜Ｂ／Ａ＜１.５となっていることを特徴とする加熱定着装置。

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