JP4032751B2 - 加熱定着装置およびそれを用いた画像形成装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子写真技術を利用した複写機、プリンタ、ファクシミリ装置などの画像形成装置に係り、特にそれの加熱定着装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、カラープリンタやカラー複写機に用いられている加熱定着装置は、内部にヒータを有し表面が弾性層で被覆された２つのロ−ラ、すなわち加熱ロ−ラと加圧ロ−ラによってニップ部を形成し、そこで未定着のトナー像が形成された用紙を挟持搬送しつつ定着するローラ定着方式と、加熱ローラもしくは加圧ローラの一方をベルトにして、一方のローラにベルトの一部を巻きつけて、トナーを溶融するためのニップ部を形成するベルト定着方式が広く採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、印字速度の高速化を図る場合、両方式とも以下２つの問題を有しており、小型化が困難であった。
１つは、連続通紙時における加熱ローラの非通紙部の温度上昇に起因する用紙の面外変形の問題である。加熱源としてヒータを内蔵する場合、ローラ端部の放熱を考慮し、待機時におけるローラの長手方向の温度分布を均一化するため、一般にヒータ長を用紙の幅より５〜１０mm程度長くしている。このため、連続通紙におけるローラの非通紙部では、熱が通紙によって奪われないため、中央部の通紙部より温度が高くなる。この非通紙部の温度上昇量は、用紙の高速化につれ増大する。なぜなら、通紙の高速化により、ヒータの発熱量が大きくなるためである。その結果、非通紙部の温度上昇により、熱膨張量の差で、加熱ローラの中央部と端部では外径が不均一になり、そのため用紙に波打ち状の面外変形が生じるという問題がある。
【０００４】
この問題を解決するため、ローラ内部のヒータを２本にし、一本はローラ中央（通紙部）の発熱用に、一本は端部（非通紙部）のみの発熱用として、それぞれ発熱量を制御する方法があるが、この方法では装置が大型化となることから、大型のプリンタや複写機にしか用いられず、定着装置の小型化に支障をきたす。
【０００５】
２つ目の問題は、印字速度の高速化に対して必要なトナーを加熱溶融する時間の確保に関する問題である。すなわち、定着速度を速めるには、トナーの加熱溶融時間を確保する必要があり、そのためには如何にトナーと接触する接触部を大きくするかが問題となる。ローラ定着方式、ベルト定着方式ではそれぞれ次の問題がある。
【０００６】
ローラ定着方式でこの接触部を大きくするには、各ローラの弾性層である耐熱性ゴムの硬度を小さくするか、ローラ径を大きくする方法がある。しかし、ゴムの硬度を小さくすると、ゴム自体の耐摩耗性の低下や圧縮永久歪みが大きくなり、結果としてローラ自体の寿命低下を招く。ローラ径を大きくすると、装置の大型化の他、ローラ自体の熱容量が増すため、ウォームアップ時間の増加、消費電力の増加を招く。従って、定着装置の寿命向上および小型化に限界がある。
【０００７】
一方、ベルト定着方式の場合、ベルトの一部を一方のローラに巻きつけることで、トナーを溶融するためのニップ部を確保しているが、高速化に対して、ベルトのローラへの巻付け量を大きくすると、ニップ部で用紙がカールする。特に坪量が６５g/m²以下の薄紙では、カールにより加熱ローラに巻付いて紙詰まり（ジャム）を発生する。従って、ローラ定着方式よりもニップ部を確保し易いが、高速化のためにはローラ方式と同様、加熱ローラ径を大きくする必要があり、小型化に対して限界がある。
【０００８】
このように従来のローラ定着方式、ベルト定着方式では、高速化にともない用紙面外変形が発生し、また装置の小型化に問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、小型で高速の定着装置およびそれを用いた画像形成装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため本発明は、両端に熱を吸収して放熱する例えば軸受や回転駆動させるためのギヤ群などの部材が存在して、未定着のトナー像が転写された用紙などの像担持体を搬送しながら加熱する加熱ローラなどの加熱手段と、その像担持体を加熱手段側に加圧する加圧ベルトなどの加圧手段を備え、加熱と加圧によりトナー像を像担持体上に定着する加熱定着装置を対象とするものである。
【００１１】
そして本発明の第１の手段は、前記加熱手段の加熱領域が、使用する前記像担持体の最大横幅と一致して前記像担持体が接触する接触部と、その接触部の両側に設けられて前記像担持体と接触しない非接触部とを有し、その非接触部の発熱量を前記接触部の発熱量より大きくして、
前記加圧手段も熱源を内蔵し、
前記加熱手段と加圧手段のニップ部よりも像担持体搬送方向上流側に予熱部材を配置し、
その予熱部材は回動可能な接触板を有し、その接触板を前記非接触部に対して離接する離接手段を設け、
前記予熱部材の他の一部が前記加圧手段と常に接触して、加圧手段の熱源により前記予熱部材は加熱された状態にあり、
印字しない待機状態では前記接触板は非接触部から離れて、前記予熱部材は加圧手段により加熱されており、
印字状態では前記接触板が非接触部に接触して、前記予熱部材は非接触部と加圧手段の熱をそれぞれ吸収することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記予熱部材はトンネル形状をしており、前記像担持体が通過する予熱部材の内側に放熱フィンが設けられていることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の第３の手段は画像形成装置において、前記第１の手段または第２の手段の加熱定着装置を備えたことを特徴とするものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図を用いて説明する。図１は第１実施形態に係る定着装置の概略構成図、図２はその定着装置を用いた電子写真装置の概略構成図、図３はその定着装置に用いた予熱部材の斜視図である。
【００２３】
先ず、本発明に係わる電子写真装置の概要を図２を用いて説明する。同図に示すように、電子写真装置のほぼ中央部にドラム状の中間転写装置１１が配置され、その周辺にベルト状の感光装置１２、転写装置１３、用紙剥離手段１４、中間転写装置清掃手段１５などが配置されている。
【００２４】
感光装置１２の周辺に帯電器１６、感光体清掃手段１７、残像除去手段１８などが配置されている。４色の異なる色のトナーを封入した現像器１９Ｋ（クロ）、１９Ｙ（イエロー）、１９Ｍ（マゼンタ）、１９Ｃ（シアン）が重ねて配置され、その下方に露光手段２０、更にその下方に用紙（像担持体）２４を積載した用紙保持手段２１、用紙供給装置２２が配置されている。電子写真装置の上部に定着装置１０と用紙排出装置２３が配置されている。
【００２５】
この構成において、帯電器１６は感光装置１２の表面を一様に帯電させる。次にパソコン、イメージスキャナ等による画像、文字の情報に基づいて露光手段２０によりドット単位で露光が行われ、感光装置１２の表面に静電潜像が形成される。
【００２６】
その後静電潜像は、現像装置１９Ｋ、１９Ｙ、１９Ｍ、１９Ｃのいずれかによりトナーが供給されて、現像されることにより、トナー像として可視化されて第一転写位置Ｔ１へ搬送される。第一転写位置Ｔ１では、図示しない電源から供給される感光装置１２と中間転写装置１１との電位差により、トナー像が中間転写装置１１の表面へ転写される。
【００２７】
第一転写位置Ｔ１を通過した後、感光装置１２の表面は残像除去手段１８による光照射で電位が一定以下に落とされ、静電潜像が消去される。また、感光体清掃手段１７により第一転写位置Ｔ１で転写されずに残ったトナーが除去され、次のトナー像の形成に備えられる。
【００２８】
前記工程を必要回数繰返すことにより、中間転写装置１１の表面に各色のトナー像が重ねて形成される。その後、トナー像は第二転写位置Ｔ２で転写装置１３によって、用紙供給装置２２により用紙保持手段２１から供給された用紙（像担持体）２４に一括転写される。トナー像を転写された用紙２４は、用紙剥離手段１４により中間転写装置１１より剥離され、定着装置１０に運ばれ、トナー像を用紙に定着し、用紙排出装置２３で排出される。
【００２９】
定着装置１０は図１に示すように加熱ローラ１、加圧ベルト２、予熱部材３、剥離手段４、駆動ローラ６、従動ローラ７などから構成される。
【００３０】
加熱ローラ１は、外径40mmのパイプ状の芯金の上に厚さ200μm、JIS硬度30度のシリコーンゴムで被覆された弾性ローラで、その表面にはトナーとの離型性を確保するため厚さ30μmのPFA（四弗化エチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）が被覆されている。また、ハロゲンランプヒータなどのヒータ５を内蔵して、この熱によりトナーを溶融する。前記PFAの連続使用耐熱温度は２６０℃と高く、例えばグンゼ株式会社製の商品名ＳＭＴなどとして市販されている。
【００３１】
ヒータ５の発熱長は後述するが、通紙部の温度を均一化するため、用紙の幅より長くし、さらに非通紙部の発熱量を通紙部よりも大きくしている。なぜなら、加熱ローラ１の両端には、図示しない軸受のほか回転駆動させるためのギヤ群が取り付けられ、待機時はそれら軸受やギヤ群などによる吸熱と放熱により、軸端部の温度が中央部よりも低下するためである。
【００３２】
加圧ベルト２は厚さ50μm、内径が30mmのシームレスのポリイミドベルトで、その表面にトナーとの離型性を確保するため、厚さ30μmの PFAがコートされている。加圧ベルト２は、表面が厚さ５mmのシリコーンゴムで被覆された駆動ローラ６と、ハロゲンランプヒータなどのヒータ８を内蔵した従動ローラ７によって懸架され、加熱ローラ１に巻付き角度θで接触し、トナー像２５を加熱溶融するためのニップ部ｈを確保している。
【００３３】
剥離爪４は耐熱性の合成樹脂などからなり、加熱ローラ１の周面に当接または近接し、ニップ部ｈでトナーが溶融された用紙２４を加熱ローラ１から強制剥離するものである。
【００３４】
ニップ部ｈの用紙搬送方向の上流側に予熱部材３が設置されている。予熱部材３は図３に示す如く、第１ハーフケース３ａと第２ハーフケース３ｂと接触板３ｃからなり、両側面に開口部を有する箱型のトンネル形状をしている。
【００３５】
第１ハーフケース３ａの上には、加熱ローラ１の両端部の非通紙部（非接触部）に対して離接する接触板３ｃが両端部に回動可能に設けられている。接触板３ｃは、連続通紙時、加熱ローラ１の非通紙部の熱を吸収して非通紙部の温度上昇を低減させるとともに、第１ハーフケース３ａ及び第２ハーフケース３ｂにその熱を伝えて、用紙２４を予熱させる機能をもつため、材質は熱伝導性が良くかつ熱容量の小さいものがよい。
【００３６】
接触板３ｃは加熱ローラ１に摺接するから、摩擦係数が小さいことが必要である。本実施形態では、厚さ０．８mmのリン青銅とし、表面にはPTFE（ポリテトラフロロエチレン）などのフッ素系樹脂がコートされている。表面のコート材は、PFA（四弗化エチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）あるいはポリオール加硫系フッ素ゴムあるいはポリアミン加硫系フッ素ゴム層であっても良い。
【００３７】
第２ハーフケース３ｂの一部は、図１で示すように加圧ベルト２を介して従動ローラ７と常に接触して、ヒータ８の熱により加熱され、第２ハーフケース３ｂの従動ローラ７と接する部分にPTFEなどのフッ素系樹脂がコートされて摺動性を確保している。
【００３８】
第１ハーフケース３ａと第２ハーフケース３ｂは、熱を保持するためアルミやステンレスなどの金属で構成されている。用紙２４及びトナー像２５への熱放射性を良好にするため、予熱部材３の用紙２４が通過する内側には複数のリブ状の放熱フィン３ｅが設けられるともに、黒系色の塗膜３ｆが形成されている。
【００３９】
図１に示すように用紙２４のトナー像２５が形成されていない面は、第２ハーフケース３ｂの内面に接触または近接しながら搬送される。このようにすれば、第２ハーフケース３ｂからの輻射熱の伝達が良好に行なわれるとともに、用紙２４のニップ部ｈへの導入がスムーズである。
【００４０】
図１に示すように、バネ２６と偏心カム２７によって加熱ローラ１の非通紙部と離接する接触板３ｃを第１ハーフケース３ａに設け、第２ハーフケース３ｂは加圧ベルト２を介して従動ローラ７の周面に当接している。この予熱部材３により、加熱ローラ１と従動ローラ７の輻射熱を利用して予熱空間２８を形成し、未定着のトナー像２５を載せた用紙２４をニップ部ｈに案内するとともに、予熱部材３の輻射熱で用紙２４とトナー像２５を予熱する。
【００４１】
印字しない待機状態では、図１に示す偏心カム２７が約９０度回転し、接触板３ｃはバネ２６の引張力により加熱ローラ１と当接せず離れており、予熱部材３は第２ハーフケース３ｂを介して、従動ローラ７の内部にあるヒータ８の熱により温められている。その結果、第１ハーフケース３ａと第２ハーフケース３ｂで形成される予熱空間２８の雰囲気温度は、トナーのガラス転移点温度よりも約１０〜３０℃程度、好ましくは約２０〜３０℃程度高い、約７０℃〜９０℃となっている。従って、トナー像２５は予熱空間２８で予熱された後、加熱ローラ１のニップ部ｈでさらに熱を受けるため、加熱ローラ１と加圧ベルト２で形成されるニップ部ｈが小さくても十分に溶融し、用紙２４に定着する。
【００４２】
予熱空間２８の温度がトナーのガラス転移点よりも１０℃を超えない場合は予熱効果が不十分であり、ガラス転移点よりも３０℃を超えるとトナーが軟化するため好ましくない。
【００４３】
一方、連続通紙時は、第１ハーフケース３ａに取り付けられた接触板３ｃが、カム２７の回転により加熱ローラ１の非通紙部へ当接し、その熱を吸収して第１ハーフケース３ａならびに第２ハーフケース３ｂへ伝える。その結果、加熱ローラ１の非通紙部の温度上昇を防止する一方、連続通紙によって予熱部材３の熱が用紙２４に奪われて予熱部材３（予熱空間２８）の温度低下を防止している。従って、連続通紙時でも通常の待機時と同程度に、加熱ローラ１と予熱空間２８の温度を一定に保つことができ、高速定着を実現している。
【００４４】
本実施形態では、加熱ローラ１に対して離接する接触板３ｃを第１ハーフケースに設け、加圧ベルト２と接する第２ハーフケース３ｂは可動せず常に加圧ベルト２全面に当接する構成としているが、反対に、第１ハーフケース３ａを常に加熱ローラ１の非通紙部に接触させ、加圧ベルト２に対して離接する接触板３ｃを第２ハーフケース３ｂに設けても良い。また、接触板３ｃは加熱ローラ１もしくは加圧ベルト２に対して、非通紙部を含み、常に全面に当接するよう設けてもよい。
【００４５】
予熱部材３の機能を具体的に図４と図５を用いて説明する。図４は加熱ローラとその内部ヒータの概略断面図、図５は加熱ローラの表面温度分布図である。
【００４６】
図４に示すように加熱ローラ１の両側軸端部に、回転駆動のための駆動ギア３０、連結ギア３１、ベアリング３２などが取付けられている。そのため待機時における加熱ローラ１の通紙部Ｌ１の温度を均一にするには、それらの吸熱量と放熱量を考慮して、ヒータ５の通紙部相当部Ｈ１よりもその両端部Ｈ２の発熱量を大きくする必要がある。
【００４７】
Ａ４サイズまでの用紙２４が使用可能な電子写真装置の場合、前記加熱ローラ１の通紙部Ｌ１は２１０mmで、その両側に設けられる非通紙部Ｌ２は１０〜４０mmが適当である。
【００４８】
そこで本発明では、ヒータ５の非通紙部相当部Ｈ２の発熱長さを加熱ローラ１の非通紙部Ｌ２よりも長くする一方、ヒータ５の非通紙部相当部Ｈ２における発熱量自体を通紙部相当部Ｈ１より１５〜３０％大きくしている。
【００４９】
本発明において、加熱ローラ１の（通紙部Ｌ１）＋（非通紙部Ｌ２×２）が加熱手段の加熱領域幅、加熱ローラ１の通紙部Ｌ１が加熱手段側接触部、加熱ローラ１の非通紙部Ｌ２が非接触部となり、前記加熱ローラ１の通紙部Ｌ１（加熱手段側接触部）が、使用する用紙（像担持体）の最大幅と一致する。
【００５０】
図５は加熱ローラの表面温度分布図で、横軸は加熱ローラの軸方向位置を、縦軸は加熱ローラの表面温度を示している。図中の曲線Ａは予熱部材を用いない従来の連続通紙時における温度分布、曲線Ｂ、Ｃは本発明の予熱部材を用いた場合であり、曲線Ｂは連続通紙時、曲線Ｃは待機時の温度分布を示している。
【００５１】
同図に示すように曲線Ａ、Ｂ、Ｃいずれも、加熱ローラの通紙部Ｌ１の温度は150℃でほぼ一定であるが、連続通紙の場合、非通紙部Ｌ２の温度は、従来例（曲線Ａ）が約180℃に対し、本実施形態では曲線Ｂに示すように165℃に下がっている。
【００５２】
また、連続通紙時の用紙の挙動をみると、従来例では非通紙部Ｌ２の温度上昇に伴い、通紙部分と非通紙部の温度差が大きいため、波打ちなど用紙に面外変形が生じて用紙端部の画像に乱れが生じたが、本実施形態では用紙は安定して排出され、画像欠陥はなかった。
【００５３】
本実施形態の場合、加熱ローラ１の通紙部Ｌ１の表面温度は約150℃、加熱ローラ１の非通紙部Ｌ２の温度は約165℃、ニップ部ｈの定着温度は約130℃、予熱空間部２８の温度は約80〜90℃である。
【００５４】
図６は、第２実施形態に係る予熱部材の斜視図である。この予熱部材３で図３に示す第１実施形態の予熱部材３と相違する点は、第１ハーフケース３ａの上部中央に加熱ローラ１の通紙部Ｌ１に対して離接可能な接触板３ｄを付設した点である。図示していないが接触板３ｄの離接動作は、図１に示す接触板３ｃと同様にバネとカムの共働によってなされる。
【００５５】
待機時において、接触板３ｄは加熱ローラ１の通紙部と接しており、通紙部の熱を第１ハーフケース３ａ，第２ハーフケース３ｂに伝えるとともに、その熱を接触板３ｃによって、加熱ローラ１の非通紙部に伝える。すなわち、待機時においては、加熱ローラ１の非通紙部は、加熱ローラ内部のヒータ５のほかに、従動ローラ内部のヒータ８によって加熱された予熱部材３により温められるため、加熱ローラ１の端部の温度低下を防止することができる。
【００５６】
一方、連続通紙時、接触板３ｄは加熱ローラ１から離され、接触板３ｄが放熱フィンとして機能し予熱部材３の熱を放熱することになる。その結果、加熱ローラ１の非通紙部の熱は、予熱部材３の接触板３ｃを介して接触板３ｄから放熱されるため、加熱ローラ１の非通紙部の温度上昇が低減できる。
【００５７】
図７は、第３実施形態に係るローラ定着方式の加熱定着装置の概略構成図である。周面に弾性層３３を有してヒータ３４を内蔵した加熱ローラ３５と、周面に弾性層３６を有してヒータ３７を内蔵した加圧ローラ３８が対になって設けられている。未定着のトナー像２５を載せた用紙２４は予熱部材３内を通過することにより用紙２４とトナー像２５が予熱された後、加熱ローラ３５と加圧ローラ３８の間を通過して、定着が良好に行なわれる。予熱部材３の構成と機能は前記実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。
【００５８】
前記実施形態はバネ２６と偏心カム２７を使用して接触板の離接動作を行なったが、弾性を有する接触板とカムを使用して接触板の離接動作を行なうこともできる。
【００５９】
前記実施形態では予熱部材３の内面にリブ状の放熱フィン３ｅを設けたが、例えば波板状やピン状など他の形状の放熱フィンを設けることもできる。
【００６０】
前記実施形態では接触板３ｃ，３ｄの形状がフラットな場合を示したが、加熱ローラ１，３５の周面に合うように円弧状に湾曲して接触面積を増大した接触板を用いることもできる。
【００６１】
【発明の効果】
本発明によれば、通紙による加熱手段の非通紙部の温度上昇を低減でき、更にトナーを溶融する時間が確保できるため、高速定着が可能な小型の定着装置ならびに画像形成装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る定着装置の概略構成図である。
【図２】その定着装置を用いた電子写真装置の概略構成図である。
【図３】その第１実施形態に係る予熱部材の斜視図である。
【図４】その第１実施形態に係る加熱ローラの断面図である。
【図５】加熱ローラの表面温度分布図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る予熱部材の斜視図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る定着装置の断面図である。
【符号の説明】
１，３５ 加熱ローラ
２ 加圧ベルト
３ 予熱部材
３ａ 第１ハーフケース
３ｂ 第２ハーフケース
３ｃ，３ｄ 接触板
３ｅ 放熱フィン
３ｆ 塗膜
４ 剥離爪
５ ヒータ
６ 駆動ローラ
７ 従動ローラ
８ ヒータ
１０ 定着装置
１３ 転写装置
２３ 用紙（像担持体）排出装置
２４ 用紙（像担持体）
２５ トナー像
２６ バネ
２７ カム
３０ 駆動ギア
３１ 連結ギア
３２ ベアリング
３３，３６ 弾性層
３４，３７ ヒータ
３８ 加圧ローラ
ｈ ニップ部
Ｌ１ 加熱ローラの通紙部（加熱手段側接触部）
Ｌ２ 加熱ローラの非通紙部（非接触部）
Ｈ１ ヒータの通紙部相当部
Ｈ２ ヒータの非通紙部相当部

Claims (3)

1. 両端に熱を吸収して放熱する部材が存在して、未定着のトナー像が転写された像担持体を搬送しながら加熱する加熱手段と、その像担持体を加熱手段側に加圧する加圧手段を備え、加熱と加圧によりトナー像を像担持体上に定着する加熱定着装置において、
   前記加熱手段の加熱領域が、使用する前記像担持体の最大横幅と一致して前記像担持体が接触する接触部と、その接触部の両側に設けられて前記像担持体と接触しない非接触部とを有し、その非接触部の発熱量を前記接触部の発熱量より大きくして、
   前記加圧手段も熱源を内蔵し、
   前記加熱手段と加圧手段のニップ部よりも像担持体搬送方向上流側に予熱部材を配置し、
   その予熱部材は回動可能な接触板を有し、その接触板を前記非接触部に対して離接する離接手段を設け、
   前記予熱部材の他の一部が前記加圧手段と常に接触して、加圧手段の熱源により前記予熱部材は加熱された状態にあり、
   印字しない待機状態では前記接触板は非接触部から離れて、前記予熱部材は加圧手段により加熱されており、
   印字状態では前記接触板が非接触部に接触して、前記予熱部材は非接触部と加圧手段の熱をそれぞれ吸収することを特徴とする加熱定着装置。
2. 請求項１記載の加熱定着装置において、前記予熱部材はトンネル形状をしており、前記像担持体が通過する予熱部材の内側に放熱フィンが設けられていることを特徴とする加熱定着装置。
3. 請求項１または請求項２記載の加熱定着装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。

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