JP4750611B2 - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、記録媒体（以下、用紙又はシートともいう）に像形成物質（以下、トナーともいう）で形成された未定着画像を定着する定着装置、該定着装置を有する複写機、プリンタ、ファクシミリ、印刷機等の画像形成装置に関する。

画像形成装置においてフルカラーの画像を形成する場合には、画像光沢度を制御して所望の光沢を得たいとの要請がある。画像光沢度を制御するには、記録媒体へ与える熱量の大小でトナーの溶融状態を変化させて光沢を制御すればよいことが知られており、記録媒体の熱容量によって与える熱量を細かく制御しなければ微小な光沢ムラを引き起こし画質を著しく低下させてしまうという課題があることが指摘されていた。

この課題を解決するものとして、通常の定着装置の通紙方向下流側に光沢制御手段を設けた構成がある（例えば、特許文献１、２、３、４参照）。これらの構成では、最初の定着部材で記録用紙に記録材を仮定着し、記録材が完全に冷却される前に光沢制御手段のニップを通過させ、圧力を加えながら冷却することで、記録材表面を平滑化させ、光沢を制御している。また、一部に発熱体を有する定着ベルトを張架して定着部材に記録材表面が当接する時間を長くすることで、定着部材と当接する間に記録材表面を冷却する構成も存在する（例えば、特許文献５参照。）。
特開２００４−１３９０３９号公報 特開２００４−１３９０４０号公報 特開２００４−１９８４８２号公報 特開平１１−１９４６８４号公報 特開２００１−１５４５１６号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、光沢制御手段に加熱源が設けられていないため、装置の立ち上げ直後では周辺の環境温度によっては、光沢制御手段が冷えており、定着装置で加熱され、仮定着された記録材が光沢制御手段のニップに突入した瞬間に過剰に冷却され固化凝集し、記録材の平滑化が促されず、所望の光沢度を連続的に得るのが困難である。

また、特許文献２、３、４では、定着装置下流側に設けられた光沢制御手段である光沢制御ロール内部にハロゲンヒータの加熱源が設けられ、また、光沢制御ロール外部に冷却ファンが設けられ、所定の温度に制御することで連続的に安定した光沢度の画像を得ている。ただ、光沢制御ロール内部に加熱源を設けているため、光沢制御ロール表面を所望の温度にするためには時間がかかり、装置立ち上げ直後からすぐに印刷ができない。印刷を早く開始するには光沢制御ロールを余熱しておかなければならず、非使用時に無駄なエネルギーが必要であった。さらには、定着ロールや光沢制御ロールに複数の加熱源を持つ必要があり、コストがかかっていた。

くわえて、特許文献５の構成では、ベルトで挟持する構成を採った場合、ベルトの搬送速度差や挟持する各々のベルト表面と記録材との摩擦係数の差等によって、記録材が斜行する、あるいは記録材にシワが生じるという問題が生じていた。さらに、発熱体が当接するベルトがそのまま記録材表面と当接するため、ベルト表面での温度勾配が少なく冷却の効果が薄くなる結果、光沢度の制御が充分ではないという問題もあった。

本発明は省エネかつ低コストで光沢度の制御および光沢ムラを防止した高画質な画像を得ることが可能な定着装置、該定着装置を備えた画像形成装置の提供をその目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の定着装置は、記録媒体上の画像面と接触する複数の定着回転体と、該定着回転体に対向してニップ部を形成する加圧回転体とを備えた定着装置において、定着回転体に熱を移動させる熱移動手段を備え、該熱移動手段は、記録媒体搬送方向上流側にある定着回転体のニップ部下流側表面と、記録媒体搬送方向下流側にある定着回転体のニップ部上流側表面とに接触することを要旨とする。

本発明によれば、記録媒体搬送方向上流側にある定着回転体のニップ部下流側表面と、記録媒体搬送方向下流側にある定着回転体のニップ部上流側表面とに接触する熱移動手段により、記録媒体搬送方向上流側にある定着回転体のニップ部から出た記録媒体上の画像の温度が保たれるので、周囲の環境温度の影響を小さくできる。また、周囲の環境温度が低い場合でも、記録媒体搬送方向下流側の定着回転体は記録媒体搬送方向上流側の定着回転体からの熱が供給されることで、所望の温度まで加熱され、記録媒体搬送方向下流側の定着回転体のニップ部でのトナー像表面凹凸の平滑化が可能となる。また、記録媒体搬送方向下流側の定着回転体は表面側から加熱される構成のため、所望の温度まで速やかに昇温することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１に本発明を適用した定着装置及びこの定着装置を有する画像形成装置の概略を示す。画像形成装置は複写機、ファクシミリ、プリンタ等周知のものであり、本発明を適用した定着装置を用いることができるタイプの画像形成装置であればどのようなものでも良い。本実施例の画像形成装置はカラー画像の形成が可能である。

画像形成装置２０は、原稿画像に応じて各色ごとの画像を形成する作像装置２１Ｙ、２１Ｍ、２１Ｃ、２１ＢＫと、作像装置２１Ｙ、２１Ｍ、２１Ｃ、２１ＢＫに対向して配置された転写装置２２と、各作像装置２１Ｙ、２１Ｍ、２１Ｃ、２１ＢＫと転写装置２２とが対向する転写領域に各種シート状媒体を供給するシート状媒体供給手段としての給紙カセット２３、２４と、給紙カセット２３、２４から搬送されてきたシート状媒体を作像装置２１Ｙ、２１Ｍ、２１Ｃ、２１ＢＫによる作像のタイミングにあわせて供給するレジストローラ３０と、転写領域において転写後のシート状媒体の定着を行う定着装置１とを有している。

画像形成装置２０は、一般にコピー等に用いられる普通紙（以下単に普通紙という）と、ＯＨＰシートや、カード、ハガキといった９０Ｋ紙、坪量約１００ｇ／ｍ２相当以上の厚紙や、封筒等の、用紙よりも熱容量が大きないわゆる特殊シート（以下単に特殊シートという）との何れをもシート状媒体として用いることが可能である。

各作像装置２１Ｙ、２１Ｍ、２１Ｃ、２１ＢＫはそれぞれイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各色の現像を行うものであり、用いるトナーの色が異なるが、その構成はほぼ同様であるから、作像装置２１Ｙの構成を各作像装置２１Ｙ、２１Ｍ、２１Ｃ、２１ＢＫの代表として説明する。作像装置２１Ｙは、静電潜像担持体としての感光体ドラム２５Ｙ、感光体ドラム２５Ｙの回転方向Ａにおいて順に配置されている図示しない周知の帯電装置、現像装置、クリーニング装置等を有し、帯電装置と現像装置との間で図示しない周知のポリゴンミラーを備えた走査手段による露光光２９Ｙを受ける周知の構成である。静電潜像担持体はドラム状でなく、ベルト状としても良い。但し、ブラックの作像装置２１ＢＫにおける露光光２９ＢＫは２ビームとすることができ、作像装置２１ＢＫは他の各作像装置２１Ｙ、２１Ｍ、２１Ｃに比して速く作像を行うことが可能となっている。

給紙カセット２３にはＡ４サイズの用紙が、給紙カセット２４にはＡ３サイズの用紙が、それぞれ図の左右方向が長手方向となるように載置されている。転写装置２２は、画像形成装置２０が図の左右方向において小型になるよう、斜め方向に配設され、矢印Ｂで示す用紙搬送方向が斜め方向となっている。これにより、画像形成装置２０は、図の左右方向における筐体２６の幅が、Ａ３サイズの用紙の長手方向の長さよりも僅かに長い大きさとなっている。すなわち、画像形成装置２０は、内部に用紙を収容するために最低限必要な大きさとされることで大幅に小型化されている。筐体２６の上部は、定着装置１を通過しトナー像が定着した用紙を積載するための排紙トレイ２７となっている。

図２に示すように、本実施例における定着装置１は、記録媒体である用紙Ｐの搬送方向上流側にある定着回転体としての加熱ローラ３と加熱ローラ３に対向して設置される加圧回転体としての加圧ローラ４で構成されるニップ部２Ａと、記録媒体搬送方向下流側にある定着回転体としての画質制御ローラ５と画質制御ローラ５に対向して設置される加圧回転体としての加圧ローラ６で構成されるニップ部２Ｂを有する。画質制御ローラ５は、加熱ローラ３よりも直径を小さく構成される。画質制御ローラ５の直径を小さく構成することで、画質制御ローラ５の熱容量が低く抑えられて熱応答性が向上し、画質制御ローラ５表面の温度を迅速に所望の温度に調整することが可能となる。

また、加熱ローラ３のニップ部２Ａ下流側表面と画質制御ローラ５のニップ部２Ｂ上流側表面とに端部が接触する熱移動手段としてのヒートパイプアレイ８を備え、端部には不図示の接触部材が設けられる。接触部材は熱伝導率が高く耐熱性にすぐれたテフロン（登録商標）等の素材で構成することが好ましい。さらに、画質制御ローラ５の表面に風を当てて冷却するための冷却ファン９が画質制御ローラの周面方向に設けられる。冷却ファン９は、画質制御ローラ５の表面が所望の温度よりも高まった場合に作動して風を画質制御ローラ５の表面に当て、画質制御ローラ５の表面の温度を所望の温度に低下させる。くわえて、通紙パスの下部には用紙ガイド１０が設けられる。

加熱ローラ３と加圧ローラ４、および画質制御ローラ５と加圧ローラ６は、それぞれ不図示のバネにより押圧されてニップ部２Ａ、２Ｂを形成している。加熱ローラ３はＡｌ、Ｆｅ等の金属による中空の円筒状の芯金３ａを基材とし、その外側にはシリコンゴムの弾性層３ｂが設けられる。弾性層のさらに外側にはトナーＴとの離型性を得るためのフッ素系樹脂であるＰＦＡやＰＴＦＥ等の離型層３ｃが被覆される。芯金内部には、加熱源としてハロゲンヒータ７が内蔵されている。

加圧ローラ４も加熱ローラ３とほぼ同様の構成で、中空の芯金４ａにシリコンゴムの弾性層４ｂが設けられ、最外層にはフッ素系樹脂であるＰＦＡやＰＴＦＥの離型層４ｃが設けられる。また、加熱ローラ３は昇温時間を短縮するために、弾性層３ｂを設けず、芯金３ａに直接離型層３ｃを設けた構成にしても良い。この場合、加圧ローラ４の弾性層４ｂをソリッドのシリコンゴムでは無く、発泡シリコンゴムを使用することで、熱容量をさらに低減可能で、昇温時間の短縮化ができる。

画質制御ローラ５と加圧ローラ６はＡｌ、Ｆｅ等の金属製の芯金５ａおよび６ａにシリコンゴムの弾性層５ｂおよび６ｂ、フッ素系樹脂のＰＦＡやＰＴＦＥを被覆した離型層５ｃおよび６ｃで構成される。

次に動作を説明する。プリント信号を受けると、加熱ローラ３および加圧ローラ４と画質制御ローラ５および加圧ローラ６は所定の速度で回転を開始する。また、加熱ローラ３内部のハロゲンヒータ７により加熱ローラ３が加熱され、加熱ローラ表面温度を検出するための不図示の温度センサーにより加熱ローラ３の表面を所定の温度まで昇温させ、さらに、ハロゲンヒータ７のオンオフ制御により加熱ローラ３の表面を所望の温度に維持する。このとき、ヒートパイプアレイ８により、加熱ローラ３の表面から画質制御ローラ５へ熱が移動することで、画質制御ローラ５が加熱される。非通紙時において、画質制御ローラ５の表面温度は、加熱ローラ３の表面温度が例えば１３０〜１７０℃の場合において、約５０〜９０℃で飽和するようにヒートパイプアレイ８の端部に取り付けられた不図示の接触部材と画質制御ローラ５との接触面積によりあらかじめ調整されている。

連続的に通紙が行われ、画質制御ローラ５の表面温度が所定の温度を超えたことを不図示の温度センサーが検出した場合には、冷却ファン９を駆動して画質制御ローラ５を冷却する。

用紙Ｐ上に転写された未定着トナー像Ｔが定着装置に搬送され、ニップ部２Ａにより熱と圧力で用紙Ｐに定着される。さらに、用紙Ｐ上のトナー像Ｔの温度が圧力によるトナーの変形が起こる温度以上を維持した状態でニップ部２Ｂに搬送され、ニップ部２Ｂで用紙Ｐ上のトナー像Ｔが再び変形されながら冷却される。ニップ部２Ｂでトナー像Ｔが変形しながら冷却されることで、ニップ部２Ｂの出口部ではトナー像が変形しない温度まで冷却された状態で排紙される。

本実施例の構成によれば、ヒートパイプアレイ８が加熱ローラ３の表面から画質制御ローラ５の表面に熱を移動させるため、画質制御ローラ５の表面を所望の温度まで加熱することが可能となる。そうすると、画質制御ローラ５と加圧ローラ６とのニップ部でのトナー像表面凹凸の平滑化が可能となるため、離型時に半溶融したトナー像の表面に発生する凹凸を抑制することができる。トナー像表面の凹凸を抑制することで、定着画像の光沢ムラを抑制し、定着画像の光沢度を制御することができる。

なお、本実施例においては、搬送方向上流側の定着回転体として、ハロゲンヒータ７を内包した加熱ローラ３を用いた。搬送方向上流側の定着回転体としては、加熱ローラ３のほか、ハロゲンヒータを内包した加熱ローラと定着補助ローラあるいは定着補助パッドに張架された定着ベルトを用いてもよい。ここで、ハロゲンヒータを内包した加熱ローラに代えて、誘導電流によって発熱する加熱ローラもしくは加熱パッドを用いてもよい。あるいは外部から加熱ローラもしくは定着ベルトを加熱する構成を採っても良い。また、本実施例では、加熱源として単数のハロゲンヒータを用いた。加熱源としては複数のハロゲンヒータを用いても良い。

実施例１とほぼ同様の構成で、ヒートパイプアレイ８を伝熱ローラ１１に置き換えた定着装置を図３に示す。伝熱ローラ１１は加熱ローラ３と画質制御ローラ５の軸間に設けられており、伝熱ローラ１１の直径は、熱容量を小さく抑えるため加熱ローラ３および画質制御ローラ５の直径以下で構成されている。また、伝熱ローラ１１の直径は加熱ローラ３表面と画質制御ローラ５の表面の最短距離よりも大きく構成され、加熱ローラ３および画質制御ローラ５は、伝熱ローラ１１自身の弾性によりそれぞれ押圧されている。伝熱ローラ１１はＡｌやＦｅ等の金属製芯金の周囲にシリコンゴムを設けたものや中空ビーズやセラミック繊維、エンボスフィルム積層部材などの断熱材を設け、その表面に熱移動層として熱伝導率が高い金属製のＮｉやＳＵＳの層が設けられた構成になっている。

加熱ローラ３から画質制御ローラ５への熱移動手段として伝熱ローラ１１のような回転体を用いることで、ヒートパイプアレイ８が当接することによる加熱ローラ３および画質制御ローラ５の表面の磨耗等による劣化を防止することが可能となる。

実施例２の伝熱ローラ１１を無端状のベルトに置き換えた定着装置を図４に示す。熱移動手段としての伝熱ベルト２１は複数の支持ローラ１２、１３に張架され、支持ローラ１２，１３はそれぞれ不図示のバネによって加熱ローラ４および画質制御ローラ５に伝熱ベルト２１を介して押圧される。伝熱ベルト２１はＮｉやＳＵＳなどの金属製の熱伝導率が高い素材が好ましく、屈曲性を考慮すると厚みが３０〜７０μｍ程度になっている。また、屈曲に対する耐久性を考慮する場合、ポリイミド、ポリアミドなどの耐熱樹脂性のベルトを用いても良い。支持ローラ１２、１３は、芯金の周囲にシリコンゴムを設けたものや中空ビーズやセラミック繊維、エンボスフィルム積層材料などの断熱材を設けたもので、見かけ上の熱容量が小さくなるように構成されている。

熱移動手段として回転体である伝熱ベルト２１を用いることで、摩擦による加熱ローラ３および画質制御ローラ５の表面の磨耗等による劣化を防止することが可能である。くわえて、実施例２の構成に比べ、伝熱ベルト２１を用いることで熱容量をさらに低減でき、昇温時間を短縮できる。また、支持ローラ１２、１３の設置位置の自由度が高いため、レイアウトの変更も容易である。

実施例２および３とほぼ同様の構成で、ハロゲンヒータ７を図５に示すように伝熱ローラ１１の内部に設ける構成や、図６に示すように伝熱ベルト２１の内部にハロゲンヒータ７を設ける構成をとることで、加熱ローラ３および画質制御ローラ５の表面から加熱することができ、昇温時間を短縮できる。この場合、伝熱ローラ１１は薄肉でＡｌ等の金属製のローラ構成が良い。

図６に示す伝熱ベルト２１は、伝熱ベルト２１内部のハロゲンヒータ７からの熱を受けて、熱を伝熱ベルト２１自身に蓄積する。伝熱ベルト２１は空気よりも熱伝導率が高くなるよう構成されるため、伝熱ベルト２１との接触面積が大きくなるに連れて、伝熱ベルト２１に接触する部材に対する単位時間あたりの熱の伝達量が増大することとなる。

そこで、図７に示すように、支持ローラ１２、１３、１５のうち支持ローラ１２、１５を加熱ローラ３に対向させ、支持ローラ１３を画質制御ローラに対向させて、伝熱ベルト２１と画質制御ローラ５との接触面積が伝熱ベルト２１と加熱ローラ３との接触面積より小さくなる構成とする。そうすれば、図６に示す構成に比べ、画質制御ローラ５よりも加熱ローラ３に多く熱を伝達することになり、加熱ローラ３側の温度を高く、画質制御ローラ５側の温度を低くなるように設定可能となる。

実施例４とほぼ同様の構成で、図８に示すように、伝熱ベルト２１を張架する支持ローラ１２、１３、１６の少なくとも１つが移動可能に設けられる。例えば、支持ローラ１６が移動した際に伝熱ベルト２１の弛みが生じるのを防止するためにテンションローラ１７が設けられている。不図示の温度センサーにより、加熱ローラ４および画質制御ローラ１３の表面温度がモニタされている。支持ローラ１６を加熱ローラ３の表面に沿って移動させ、伝熱ベルト２１と加熱ローラ３および画質制御ローラ５との接触面積を可変することで、ハロゲンヒータ７からの熱の移動量が加熱ローラ３側と画質制御ローラ５側で制御できるため、それぞれのローラの表面温度を所定の温度になるように制御できる。

また、図９に示すように、支持ローラ１２、１６を固定して、支持ローラ１８を画質制御ローラ５から離間することで全く熱移動が起こらないようして画質制御ローラ５の表面温度を制御するようにしても良い。こうすることで、実施例１〜４に示す構成に比べ、より細かい温度制御が可能となり、周囲の環境温度、用紙の厚みや表面粗さに対してより精度良く対応して光沢度を制御し、あるいは光沢ムラを防止することが可能となる。

本発明を適用した定着装置及びこの定着装置を備えた画像形成装置の概略を示す側面図である。 実施例１における定着装置の概略構成図である。 実施例２における定着装置の概略構成図である。 実施例３における定着装置の概略構成図である。 実施例４における熱移動部材が伝熱ローラの定着装置の概略構成図である。 実施例４における熱移動部材が伝熱ベルトの定着装置の概略構成図である。 実施例５における定着装置の概略構成図である。 実施例６における定着装置の概略構成図である。 実施例６における別の形態の定着装置の概略構成図である。

符号の説明

１ 定着装置
２Ａ、２Ｂ ニップ部
３ 加熱ローラ
３ａ 芯金
３ｂ 弾性層
３ｃ 離型層
４ 加圧ローラ
４ａ 芯金
４ｂ 弾性層
４ｃ 離型層
５ 画質制御ローラ
５ａ 芯金
５ｂ 弾性層
５ｃ 離型層
６ 加圧ローラ
６ａ 芯金
６ｂ 弾性層
６ｃ 離型層
７ ハロゲンヒータ
８ ヒートパイプアレイ
９ 冷却ファン
１０ 用紙ガイド
１１ 伝熱ローラ
１２、１３、１５、１６、１８、１９ 支持ローラ
１７ テンションローラ
２１ 伝熱ベルト
Ｔ トナー、トナー像
Ｐ 用紙

Claims (10)

1. 記録媒体上の画像面と接触する複数の定着回転体と、
   該定着回転体に対向してニップ部を形成する加圧回転体とを備えた定着装置において、
   定着回転体に熱を移動させる熱移動手段を備え、
   該熱移動手段は、
   記録媒体搬送方向上流側にある定着回転体のニップ部下流側表面と、記録媒体搬送方向下流側にある定着回転体のニップ部上流側表面とに接触することを特徴とする定着装置。
2. 請求項１に記載の定着装置において、
   記録媒体搬送方向上流側にある定着回転体を加熱する加熱源を備えることを特徴とする定着装置。
3. 請求項１または２に記載の定着装置において、
   前記熱移動手段はヒートパイプを備えたことを特徴とする定着装置。
4. 請求項１または２に記載の定着装置において、
   前記熱移動手段はローラで構成されることを特徴とする定着装置。
5. 請求項１または２に記載の定着装置において、
   前記熱移動手段は複数の支持部材に張架された無端状のベルトを備えることを特徴とする定着装置。
6. 請求項１、２、４、または５に記載の定着装置において、
   前記熱移動手段の内部に加熱源を設けたことを特徴とする定着装置。
7. 請求項１ないし６に記載の定着装置において、
   前記熱移動手段と記録媒体搬送方向上流側にある定着回転体のニップ部下流側表面との接触面積が可変であることを特徴とする定着装置。
8. 請求項１ないし７に記載の定着装置において、
   前記熱移動手段と記録媒体搬送方向下流側にある定着回転体のニップ部上流側表面との接触接触面積が可変であることを特徴とする定着装置。
9. 請求項１ないし８に記載の定着装置において、
   記録媒体搬送方向上流側にある定着回転体のニップ部下流側表面と前記熱移動手段との接触面積が、記録媒体搬送方向下流側にある定着回転体のニップ部上流側表面と前記熱移動手段の接触面積よりも大きいことを特徴とする定着装置。
10. 請求項１ないし９に記載の定着装置を備えた画像形成装置。

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