JP4474403B2 - トナー粒子用加熱固定装置 - Google Patents

Description

本発明は記録媒体上でトナー分子を加熱し、固定するための装置に関し、さらに詳細には、記録媒体を均一に加熱し、押圧するトナー粒子用加熱固定装置に関する。

写真式複写機、プリンタ、または多機能プリンタ等の画像形成装置に関して、トナー粒子は所定の出力パターンに従って記録媒体に取り付けられ、トナー粒子は光伝導体ドラムによって記録媒体上へ転送され、トナー粒子は静電気力等の弱い引力によって記録媒体上に固定され、次にそれらは恒久的にその上に固定されるために加熱固定装置によって押圧され、加熱されなければならない。

米国特許第３，３３１，５９２号は、その間を通過する記録媒体を加熱し、押圧するための加熱ローラと、押圧ローラとを含む加熱固定装置を提供する。加熱ローラは熱伝導性中空金属ローラであり、熱源は加熱ローラを加熱するためにその中に配置され、その結果、加熱ローラの表面は、トナー粒子を固定するために十分である運転温度まで加熱される。押圧ローラは金属製であり、ゴムまたは発砲体等の柔らかい物質でコーティングされる。加熱ローラにより発生する熱と圧力を受けて、トナー粒子は記録媒体の表面上にしっかりと固定される。

しかしながら、このような手法では、熱源が熱放射によって加熱ローラを加熱し、熱伝達の低い効率と高いエネルギー消費を生じさせる。そして、加熱ローラの温度を室温から運転温度まで上昇させるには、与熱期間として３０秒から４０秒を要する。さらに、それは領域接触ではなく、加熱ローラと記録媒体の間の点接触であり、その結果として記録媒体は加熱され、押圧された後に巻き上がり、それにより紙詰まりの可能性が高まる。

加熱ローラの前記問題を鑑みて、加熱器抵抗体を熱源として活用とする手法が提供される。例えば、米国特許第５，０８３，１６８号では、発熱エレメントが熱源として使用され、与熱期間を短縮し、熱伝達の効率を改善する。さらに、発熱エレメントは、可撓フィルムを通して記録媒体を直接的に押圧、加熱し、用紙が加熱された後に巻き上がる問題から除去するために領域接触によって記録媒体と接触する。

第５，０８３，１６８号では、発熱エレメントは、その温度を室温から運転温度まで上昇させるのに約１０秒を要する。しかしながら、第５，０８３，１６８号の発熱エレメントはセラミック製の基板を有し、抵抗係数が高い物質は前記基板上で覆われている。その結果、発熱エレメントを製造するためのプロセスはきわめて複雑であるため、高いコストを有する。さらに、このような発熱エレメントの温度を調節することは相対的に複雑であるため、上昇させる温度を調節するためには追加の温度センサが必要とされ、それにより温度調節はさらに複雑化する。

米国特許第５，２７８，６１８号では、電源が入れられた直後に発熱する、正の温度係数の物質から作られている発熱エレメントが提供されている。電源が入れられた後、発熱エレメントの温度は連続的に上昇しないが、一定の温度まで達成する。温度調節方法は、本書では第５，０８３，１６８号の温度調節方法よりはるかに簡単であるが、加熱効率は好ましくない。

従来のトナー粒子用加熱固定装置には低加熱効率、低圧迫性能、または極端に高い製造費、及び複雑化した温度調節方法という欠点がある。前記問題点を鑑みて、本発明の目的は、やはり低製造費を有する、記録媒体の出力画像形成品質を高めるためにトナー粒子を用いて記録媒体を均一に圧迫および加熱するためのトナー粒子用加熱固定装置を提供することである。

上記目的を達成するために、押圧要素と、少なくとも１つの弾性要素と、発熱体と、筒状膜と、押圧ローラとを含むトナー粒子用加熱固定装置が提供される。押圧要素は加熱面と接触面を有する。弾性要素は、押圧要素の接触面の外部に向かって押圧要素に対する力を生成するために提供される。発熱体は加熱面を通る押圧要素を加熱するために提供される。筒状膜は押圧要素と発熱体の外部の回りに配置され、前記膜は押圧要素を基準にして摺動し、その結果接触面が筒状膜の内側に圧迫し、熱を筒状膜に伝達する。押圧ローラは対応して接触面に固定され、接触面は筒状膜を押圧し、筒状膜を加熱し、押圧ローラを圧迫し、その結果、筒状膜は、押圧ローラと筒状膜の間を通過するトナー粒子で記録媒体を押圧し、加熱する。押圧ローラは、筒状膜を動かし、記録媒体とともに移動するために回転し、その結果、記録媒体上へ伝達されるトナー粒子は、記録媒体中に染み込むように溶かされているため、トナー粒子は恒久的に記録媒体上に固定される。

すなわち、本願の第１発明は、トナー粒子用加熱固定装置であって、加熱面と接触面を有し、該押圧要素の長手方向軸に沿って２つの支持リブを加熱面に形成してある押圧要素と、前記２つの支持リブの上縁を圧迫することにより前記押圧要素の接触面の外部に向かって、該押圧要素に対する力を生じさせる、少なくとも１つの弾性要素と、前記２つの支持リブの間で、該２つの支持リブによって直接的に接触支持され、前記加熱面を通して前記押圧要素を加熱するための発熱体と、前記押圧要素と前記発熱体の回りに配置され、前記押圧要素を基準にして摺動する筒状膜であって、前記接触面が前記膜の内側を絶えず圧迫し、熱伝導により前記膜に熱を伝達する筒状の膜と、前記接触面に対応して設けられる押圧ローラであって、前記押圧要素の接触面が前記押圧ローラを圧迫するために前記膜を押圧し、その結果前記膜が、前記押圧ローラと前記筒状膜の間を通過するトナー粒子で記録媒体を押圧および加熱し、前記押圧ローラが前記筒状膜を駆動させ、前記記録媒体とともに移動させるために回転する押圧ローラと、を備えるトナー粒子用加熱固定装置であることを要旨としている。

また、本願の第２発明は、前記押圧要素が、前記筒状膜の長手方向軸に沿って配置されるブレードであり、前記弾性要素が前記押圧要素の一方の端部を圧迫する本願の第１発明に記載のトナー粒子用の加熱固定装置であることを要旨としている。

また、本願の第３発明は、前記押圧要素から前記弾性要素への前記熱伝導を断熱するために、前記弾性要素と前記２つの支持リブの間に配置される断熱要素をさらに備える、本願の第１発明に記載のトナー粒子用の加熱固定装置であることを要旨としている。

また、本願の第４発明は、前記２つの支持リブが前記押圧要素に傾斜角で傾けて配置され、その結果前記発熱体が前記２つの支持リブと接触する本願の第１発明に記載のトナー粒子用加熱固定装置であることを要旨としている。

また、本願の第５発明は、前記２つの支持リブが互いに関して９０度より大きい傾斜角で傾斜される本願の第４発明に記載のトナー粒子用の加熱固定装置であることを要旨としている。

また、本願の第６発明は、前記接触面の記録媒体搬送方向の上流側の先端、及び、下流側の先端で円滑に摺動するように前記筒状膜を誘導するために、前記押圧要素の前記接触面の前記上流側、及び、前記下流側の先端が湾曲している本願の第２発明に記載のトナー粒子用加熱固定装置であることを要旨としている。

また、本願の第７発明は、前記押圧要素が、前記２つの支持リブの前記上縁に接続される上壁を有し、その結果前記発熱体が前記押圧要素によって取り囲まれている本願の第１発明に記載のトナー粒子用加熱固定装置であることを要旨としている。

また、本願の第８発明は、前記発熱体を前記押圧要素の前記加熱面に向かって押圧するために、前記押圧要素と前記発熱体の前記上壁の間に配置される弾性押圧要素をさらに備える本願の第７発明に記載のトナー粒子用加熱固定装置であることを要旨としている。

本発明の優位点は、押圧要素が、熱伝導によって発熱体によって直接的に加熱され、このようにして予熱時間を短縮することにある。一方、押圧要素は、加熱と固定の効果を高めるために、筒状膜を通って、領域接触により記録媒体と接触し、このようにしてトナー粒子を加熱し、圧迫するための時間を延長する。さらに、記録媒体は、記録媒体が巻き上がるのを排除するために一様に圧迫され、加熱される。

本発明の追加の適用性範囲は以下に示される詳細な説明から明らかになる。しかしながら、本発明の精神及び範囲内の多様な変更及び修正はこの詳細な説明から当業者に明らかになるため、詳細な説明及び特殊な例が、本発明の好適実施形態を示す一方、説明の目的のためだけに示されていることが理解されなければならない。

また、本発明は、例示のためだけに以下に示される詳細な説明からさらに完全に理解されるようになるため、本発明を制限しない。

トナー粒子を使用する画像形成装置に関して説明する。まず光ビームが光伝導体ドラム（図示せず）上に照射され、次にその上に静電気を帯電したパターンを形成する。静電荷を帯電したパターンは、伝達されるパターンを形成するために光伝導体ドラム上でトナー粒子Ｔを引き付けるために使用される。1枚の紙等の記録媒体Ｐは、転がり接触によって光伝導体ドラムと接触し、その結果、パターンを形成するためのトナー粒子は記録媒体Ｐの上に伝達され、所定のパターンが記録媒体Ｐ上に形成される。この時点では、トナー粒子Ｔは単に記録媒体Ｐに一時的に付着されるにすぎず、記録媒体Ｐは加熱固定装置で加熱され、圧迫されなければならない。
加熱固定装置は記録媒体Ｐを加熱し、その上にトナー粒子Ｔで押圧し、その結果トナー粒子Ｔは恒久的に記録媒体Ｐの上に固定されるのである。

図１と図２は、本発明の第1の実施形態による加熱固定装置の斜視図と断面図である。トナー粒子用加熱固定装置は、記録媒体Ｐ上にトナー粒子Ｔを恒久的に固定するために、それぞれ加熱と押圧のために使用される加熱アセンブリ２００と押圧ローラ３００とを含む。

加熱アセンブリ２００は、押圧要素２１０と、２つの弾性要素２２０と、発熱体２３０と、筒状膜２４０とを含む。

押圧要素２１０は、加熱面２１１と接触面２１２とを有するブレードである。押圧要素２１０は、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）及びアルミニウム（Ａｌ）等の高い熱伝達係数の金属から作られ、押し出し鋳造によって形成される。押圧要素２１０は、さらに、押圧要素２１０の長手方向軸に沿って加熱面２１１上に形成される２つの支持リブ２１３を有する。

２つの弾性要素２２０のそれぞれの一方の端部が固定され、他方の端部はそれぞれ押圧要素２１０の２つの端部に対応し、弾性要素２２０のそれぞれは押圧要素２１０の一方の端部を圧迫する。特に、各弾性要素２２０の他方端部は、押圧要素２１０の接触面２１２の外部に向かって押圧要素２１０に対して一定に力を生成するために、それぞれ、２つの支持リブ２１３の上縁を押圧する。

発熱体２３０は、ハロゲンランプまたは加熱面２１２に対応して２つの支持リブ２１３の間に位置する発熱エレメントである。２つの支持リブ２１３は互いに関して傾斜角で傾けられるため、発熱体２３０は重力を受けて自然に落下し、その結果、加熱面２１２を通して押圧要素２１０を加熱するために２つの支持リブ２１３と直接的に接触し、それにより押圧要素２１０は熱伝導と熱放射の両方によって加熱される。一方、発熱体２３０によって生じる高温が熱伝導によって支持リブ２１３の上縁を通して弾性要素２２０にマイナスの影響を及ぼさないようにするために、断熱要素２１４が各弾性要素２２０と押圧要素２１０の２つの支持リブ２１３の間に、押圧要素２１０から弾性要素２２０への熱伝達を絶縁するためにさらに配置される。

筒状膜２４０は、ポリテトラフルオロエチレン（熱伝導係数を有することに加えて、物質は非粘着特性及び耐磨耗特性を有し、その結果トナー粒子Ｔは溶解後筒状膜２４０の表面に付着せず、筒状膜２４０が、押圧要素２１０の接触面２１２に対してこすり付けられている間に摩滅するのを防ぐことができる。

筒状膜２４０は押圧要素２１０と発熱体２３０の周辺に配置され、押圧要素２１０と発熱体２３０の両方とも筒状膜２４０の長手方向軸に沿って配置され、筒状膜２４０は押圧要素２１０を基準にして摺動する。押圧要素２１０の接触面２１２は絶えず膜２４０の内側を圧迫し、熱伝導により膜２４０に熱を伝達する。筒状膜２４０が押圧要素２１０を基準にして摺動するときに筒状膜２４０に対する押圧要素２１０によって生じる過剰な摩擦を回避するために、また、前記接触面２１２の記録媒体搬送方向の上流側の先端、及び、下流側の先端で円滑に摺動するように前記筒状膜２４０を誘導するために、前記押圧要素２２０の前記接触面２１２の前記上流側、及び、前記下流側の先端が湾曲して形成される。

押圧ローラ３００は、弾性材料によって覆われ、その結果、押圧ローラ３００の表面は弾性的に変形可能である。押圧ローラ３００は、押圧要素２１０の接触面２１２に対応して設けられる。接触面２１２は、押圧ローラ３００を圧迫するために筒状膜２４０を押圧し、このようにして筒状の膜２４０は、押圧ローラ３００と筒状膜２４０の間を通過するトナー粒子Ｔで記録媒体Ｐを押圧し、加熱する。さらに、シャフト３１０は押圧ローラ３００の中心に配置され、シャフト３１０の両端にはそれに固定されたギアのような励振素子３２０がある。そして、シャフト３１０はブッシング３３０によって支えられ、その結果押圧ローラ３００は接触面２１２に対応して回転自在に固定される。前記２つの駆動素子３２０の内の少なくとも一方が駆動素子３４０と係合されるため、駆動素子３４０は押圧ローラ３００が回転するように駆動し、それにより押圧ローラ３００は筒状膜２４０を駆動し、記録媒体Ｐとともに移動するように回転する。

図２を参照すると、トナー粒子Ｔを含む記録媒体Ｐが加熱アセンブリ２００と押圧ローラ３００の間を、移動方向Ｄに沿って通過すると、発熱体２３０により生じる熱は押圧要素２１０に伝達される。次に熱は接触面２１２を通して筒状膜２４０に伝達され、最終的には筒状膜２４０を通して記録媒体Ｐに伝達される。一方、駆動素子３４０は押圧ローラ３００を駆動し、（図２に示されるように）反時計回りに回転させるため、筒状膜２４０と押圧ローラ３００は時計回りに回転するために駆動される。

記録媒体Ｐが筒状膜２４０と押圧ローラ３００の間を通過すると、記録媒体Ｐは押圧ローラ３００によって駆動され、一方、筒状膜２４０は記録媒体Ｐによって回転するように駆動される。筒状膜２４０と記録媒体Ｐの接触する部分は互いを基準にして移動しないため、記録媒体Ｐ上のトナー粒子Ｔは剪段応力を受けない。記録媒体Ｐが筒状膜２４０と押圧ローラ３００の間に位置する間、押圧要素２１０は筒状膜２４０を通して記録媒体Ｐを押圧する。筒状膜２４０の厚さは他の要素のサイズよりはるかに小さいため、筒状膜２４０の内面から外面への熱抵抗係数は無視できる。

したがって、押圧要素２１０の接触面２１０は、発熱体２３０により生じる熱を記録媒体Ｐに伝達するために記録媒体Ｐと直接的に接触し、したがってトナー粒子Ｔは記録媒体Ｐ上で加熱、溶解され、次に押圧時に記録媒体Ｐ中に染み込ませられ、その結果トナー粒子Ｔは記録媒体Ｐ上に固定される。

押圧要素２１０は、筒状膜２４０を通して間接的に記録媒体Ｐを押圧および加熱し、押圧ローラ３００の外面は弾性的に変形することも可能で、したがって筒状膜２４０と押圧ローラ３００の間の界面は平面に形成される。つまり筒状膜２４０は領域接触の形で記録媒体Ｐを圧迫する。したがって、記録媒体Ｐにかけられる圧力は均一に分散され、温度分布も均一になり、したがって、押圧効果と加熱効果は狭い領域に集中し、このようにして記録媒体Ｐが巻き上がるのを回避する。さらに圧力は領域接触を介してかけられるため、トナー粒子Ｔの押圧及び加熱時間は、加熱及び固定の効果を改善するために引き延ばされる。

図３は、第１の実施形態の安全な構造とほぼ同じ構造を有する本発明の第２の実施形態の断面図であるが、差異は、押圧要素２１０が２つの支持リブ２１３の上縁に接続される上壁２６を有するという点にある。上壁２１６は押し出し鋳造により２つの支持リブ２１３とモノリシックに形成され、弓形構造に構成され、その結果発熱体２３０は押圧要素２１０によって取り囲まれ、発熱体２３０からの熱放射が上壁２１６によって吸収され、このようにして熱損失を削減し、発熱体２３０の加熱効率を高める。

図４は、第２の実施形態の構造とほぼ同じ構造を有する本発明の第３の実施形態の断面図である。発熱体２３０と押圧要素２１０の異なる熱膨張係数のため、２つの支持リブ２１３は、膨張するように加熱された後に発熱体２３０を圧搾し、発熱体２３０に損傷を与えることがある。前記状況を回避するために、押圧要素２１０の加熱面２１１に緩衝要素２１７がさらに配置され、緩衝要素２１７の一方の端部は押圧要素２３０の加熱面２１１に固定され、他方の端部は発熱体２３０を圧迫する。緩衝要素２１７の熱膨張係数は押圧要素２１０の熱膨張係数よりも大きい。したがって、押圧要素２１０と緩衝要素２１７が熱的に膨張し、変形すると、緩衝要素２１７の変形が押圧要素２１０の変形より大きくなり、したがって支持リブ２１３の発熱体２３０に対する圧搾力を削減する、あるいは排除さえするために、発熱体２３０を駆動し、押圧要素２１０の加熱面２１１から離して行く。

図５は、膨張するために加熱後に押圧要素２１０によって生じる発熱体２３０に対する圧搾力を削減することについての別の改善策である本発明の第４の実施形態の断面図である。差異は、２つの支持リブ２１３が互いに対して９０度より大きな傾斜角で傾けられているという点にあるが、第４の実施形態は第２の実施形態とほぼ同じである。したがって、膨張するために加熱後、発熱体２３０は支持リブ２１３の壁に沿って円滑に上方へ摺動する。また、支持リブ２１３の間の角度を拡大すると、発熱体２３０と過熱側２１１間の距離が短縮され、したがって熱伝達のための経路が短縮され、それにより熱抵抗が削減される。

図６は第４の実施形態の更なる改善策である本発明の第５の実施形態の断面図である。第５の実施形態では、弾性押圧要素２１８は、押圧要素２１０の上壁２１６と発熱体２３０の間に配置されている。弾性押圧要素２１８の２つの端部は上壁２１６と発熱体２３０をそれぞれ圧迫し、押圧要素２１０の加熱面２１１に向かって発熱体２３０を絶えず押圧し、その結果発熱体２３０は、２つの支持リブ２１３に対して堅固に寄りかかり、発熱体２３０は２つの支持リブ２１３と接触するように維持される。

本発明は上述のように説明されてきたが、同様の機能・作用が得られる範囲内で種々の変形が可能である。このような変形は本発明の精神及び範囲からの離脱と見なされるべきではなく、当業者にとって明らかに本発明の特許請求の範囲内に含まれる。

本発明の第1の実施形態の斜視図である。 本発明の第1の実施形態の断面図である。 本発明の第２の実施形態の断面図である。 本発明の第３の実施形態の断面図である。 本発明の第４の実施形態の断面図である。 本発明の第５の実施形態の断面図である。

符号の説明

２００ 加熱アセンブリ
２１０ 押圧要素
２１１ 加熱面
２１２ 接触面
２１３ 支持リブ
２１４ 断熱要素
２１５ 円弧角
２２０ 弾性要素
２３０ 発熱体
２４０ 筒状膜
３００ 押圧ローラ
３１０ シャフト
３２０ 駆動素子
３３０ ブッシング
Ｐ 記録媒体
Ｔ トナー粒子
Ｄ 移動方向

Claims (8)

1. トナー粒子用加熱固定装置であって、
   加熱面と接触面を有し、該押圧要素の長手方向軸に沿って２つの支持リブを加熱面に形成してある押圧要素と、
   前記２つの支持リブの上縁を圧迫することにより前記押圧要素の接触面の外部に向かって、該押圧要素に対する力を生じさせる、少なくとも１つの弾性要素と、
   前記２つの支持リブの間で、該２つの支持リブによって直接的に接触支持され、前記加熱面を通して前記押圧要素を加熱するための発熱体と、
   前記押圧要素と前記発熱体の回りに配置され、前記押圧要素を基準にして摺動する筒状膜であって、前記接触面が前記膜の内側を絶えず圧迫し、熱伝導により前記膜に熱を伝達する筒状の膜と、
   前記接触面に対応して設けられる押圧ローラであって、前記押圧要素の接触面が前記押圧ローラを圧迫するために前記膜を押圧し、その結果前記膜が、前記押圧ローラと前記筒状膜の間を通過するトナー粒子で記録媒体を押圧および加熱し、前記押圧ローラが前記筒状膜を駆動させ、前記記録媒体とともに移動させるために回転する押圧ローラと、を備えるトナー粒子用加熱固定装置。
2. 前記押圧要素が、前記筒状膜の長手方向軸に沿って配置されるブレードであり、前記弾性要素が前記押圧要素の一方の端部を圧迫する請求項１に記載のトナー粒子用の加熱固定装置。
3. 前記押圧要素から前記弾性要素への前記熱伝導を断熱するために、前記弾性要素と前記２つの支持リブの間に配置される断熱要素をさらに備える、請求項１に記載のトナー粒子用の加熱固定装置。
4. 前記２つの支持リブが前記押圧要素に傾斜角で傾けて配置され、その結果前記発熱体が前記２つの支持リブと接触する請求項１に記載のトナー粒子用加熱固定装置。
5. 前記２つの支持リブが互いに関して９０度より大きい傾斜角で傾斜される請求項４に記載のトナー粒子用の加熱固定装置。
6. 前記接触面の記録媒体搬送方向の上流側の先端、及び、下流側の先端で円滑に摺動するように前記筒状膜を誘導するために、前記押圧要素の前記接触面の前記上流側、及び、前記下流側の先端が湾曲している請求項２に記載のトナー粒子用加熱固定装置。
7. 前記押圧要素が、前記２つの支持リブの前記上縁に接続される上壁を有し、その結果前記発熱体が前記押圧要素によって取り囲まれている請求項１に記載のトナー粒子用加熱固定装置。
8. 前記発熱体を前記押圧要素の前記加熱面に向かって押圧するために、前記押圧要素と前記発熱体の前記上壁の間に配置される弾性押圧要素をさらに備える請求項７に記載のトナー粒子用加熱固定装置。

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