JP4766077B2 - 定着装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

この発明は、複写機、プリンタやＦＡＸなどの画像形成装置に用いられる定着装置、および、この定着装置を有する画像形成装置に関する。

従来、定着装置としては、定着ローラと加圧ローラとヒータとを備えたものがある（特開平８−５４７９８号公報：特許文献１参照）。定着ローラは、ヒータにより加熱されている。定着ローラおよび加圧ローラは、記録紙を、加熱加圧して定着する。加圧ローラは、内側から外側に順に、芯金、スポンジ層、弾性層およびPFAチューブを有している。
特開平８−５４７９８号公報

しかしながら、上記従来の定着装置では、加圧ローラは、内側から外側に順に、芯金、スポンジ層、弾性層およびPFAチューブを有しているので、定着ローラから加圧ローラに直接伝えられた熱を、加圧ローラにより熱輸送することは難しく、加圧ローラの軸方向の温度を均一にできなかった。

したがって、小サイズの記録紙の連続通紙における非通紙領域の温度が上昇し、通紙領域と非通紙領域との温度差が大きくなるので、非通紙領域の温度を下げるためにヒータの加熱温度を低下する必要があり、小サイズの記録紙の画質（定着性）が低下する問題があった。また、非通紙領域の温度が上昇するので、定着ローラおよび加圧ローラが熱劣化する問題があった。

そこで、この発明の課題は、小サイズの記録紙の連続通紙における非通紙領域の温度上昇を抑制し、通紙領域と非通紙領域との温度差を低減して、小サイズの記録紙の画質（定着性）の低下を防止すると共に、定着ローラおよび加圧ローラの熱劣化を防止できる定着装置および画像形成装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の定着装置は、
互いに接触して記録材を搬送しつつこの記録材のトナーを定着させる定着側回転体および加圧側回転体と、
上記定着側回転体を加熱する加熱部と
を備え、
上記加圧側回転体は、内側から外側に順に、芯金、低熱伝導弾性層、金属層、高熱伝導弾性層および離型層を有し、上記高熱伝導弾性層の熱伝導率は、上記低熱伝導弾性層の熱伝導率よりも大きく、
上記高熱伝導弾性層の熱伝導率は、０．５Ｗ／ｍ・℃以上であり、上記低熱伝導弾性層の熱伝導率は、０．３Ｗ／ｍ・℃以下であり、
上記高熱伝導弾性層の厚みは、１５０〜３００μｍであり、上記低熱伝導弾性層の厚みは、１ｍｍ以上であることを特徴としている。

この発明の定着装置によれば、上記加圧側回転体は、上記金属層を有するので、上記定着側回転体から上記加圧側回転体に直接伝えられた熱を、上記加圧側回転体の上記金属層により熱輸送して、上記加圧側回転体の軸方向の温度を均一にできる。

したがって、小サイズの記録材の連続通紙における非通紙領域の温度上昇を抑制し、通紙領域と非通紙領域との温度差を低減できるので、非通紙領域の温度を下げるために上記加熱部の加熱温度を低下する必要がなく、小サイズの記録材の画質（定着性）の低下を防止できる。また、非通紙領域の温度上昇を抑制できるので、上記定着側回転体および上記加圧側回転体の熱劣化を防止できる。また、上記加圧側回転体は、上記離型層を有するので、上記加圧側回転体へのトナー汚れの付着を防止でき、記録材の画質を向上できる。また、上記加圧側回転体は、上記芯金と上記金属層との間に、低熱伝導弾性層を有するので、低熱伝導弾性層により金属層から芯金への熱の漏れを防止できる。また、上記加圧側回転体は、上記金属層と上記離型層との間に、高熱伝導弾性層を有するので、加圧側回転体の軸方向の温度をより均一にできる。

また、一実施形態の定着装置では、上記加圧側回転体に接触する均熱部材を有する。

この実施形態の定着装置によれば、上記加圧側回転体に接触する上記均熱部材を有するので、上記加圧側回転体の軸方向の温度を一層均一にできる。

また、一実施形態の定着装置では、上記均熱部材は、作動液を水としたヒートパイプである。

この実施形態の定着装置によれば、上記均熱部材は、作動液を水としたヒートパイプであるので、上記均熱部材の加工が容易となる。

また、一実施形態の定着装置では、上記均熱部材は、最も外側に、離型層を有する。

この実施形態の定着装置によれば、上記均熱部材は、最も外側に、離型層を有するので、上記均熱部材へのトナー汚れの付着を防止でき、記録材の画質を向上できる。

また、一実施形態の定着装置では、
上記金属層は、Ni電鋳、SUS、Fe系合金、Al系合金またはCu合金からなり、
上記離型層は、PFA粉体樹脂、PFAディスパージョン塗料、PFA/PTFE混合ディスパージョン塗料またはPFAチューブからなる。

この実施形態の定着装置によれば、上記金属層は、Ni電鋳、SUS、Fe系合金、Al系合金またはCu合金からなり、上記離型層は、PFA粉体樹脂、PFAディスパージョン塗料、PFA/PTFE混合ディスパージョン塗料またはPFAチューブからなるので、上記離型層の上記金属層に対する接着性が向上する。

また、一実施形態の定着装置では、上記高熱伝導弾性層は、シリコーンゴムからなる。

また、一実施形態の定着装置では、上記金属層と上記低熱伝導弾性層とは、互いに、接着されていない。

この実施形態の定着装置によれば、上記金属層と上記低熱伝導弾性層とは、互いに、接着されていないので、上記金属層と上記弾性層との熱膨張率が異なっていても、上記金属層と上記弾性層とは、互いに、束縛されずに、上記金属層および上記弾性層の損傷を防止する。

また、一実施形態の定着装置では、上記低熱伝導弾性層は、シリコーンゴムまたはシリコーンスポンジからなる。

また、この発明の画像形成装置では、上記定着装置を備えることを特徴としている。

この発明の画像形成装置によれば、上記定着装置を備えるので、品質性および耐久性を向上できる。

この発明の定着装置によれば、加圧側回転体は、金属層を有するので、小サイズの記録紙の連続通紙における非通紙領域の温度上昇を抑制し、通紙領域と非通紙領域との温度差を低減して、小サイズの記録紙の画質（定着性）の低下を防止すると共に、定着側回転体および加圧側回転体の熱劣化を防止できる。

この発明の画像形成装置によれば、上記定着装置を備えるので、品質性および耐久性を向上できる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の画像形成装置の簡略構成図を示す。この画像形成装置は、カラープリンタを示し、内部のほぼ中央部にベルト部材として中間転写ベルト１０２を有する。中間転写ベルト１０２の下部水平部の下には、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の各色にそれぞれ対応する４つの作像ユニット１０６Ｙ、１０６Ｍ、１０６Ｃ、１０６Ｋが、中間転写ベルト１０２に沿って並んで配置されている。作像ユニット１０６Ｙ、１０６Ｍ、１０６Ｃ、１０６Ｋは、それぞれ、感光体ドラム１０７Ｙ、１０７Ｍ、１０７Ｃ、１０７Ｋを有している。

各感光体ドラム１０７Ｙ、１０７Ｍ、１０７Ｃ、１０７Ｋの周囲には、その回転方向に沿って順に、帯電器１０８と、プリントヘッド部１０９と、現像器１１０と、１次転写ローラ１１１Ｙ、１１１Ｍ、１１１Ｃ、１１１Ｋと、クリーナ１１２とがそれぞれ配置されている。各１次転写ローラ１１１Ｙ、１１１Ｍ、１１１Ｃ、１１１Ｋは、中間転写ベルト１０２を挟んで各感光体ドラム１０７Ｙ、１０７Ｍ、１０７Ｃ、１０７Ｋと対向する。

中間転写ベルト１０２における駆動ローラ１０５で支持された部分には、２次転写ローラ１０３が圧接されており、２次転写ローラ１０３と中間転写ベルト１０２とのニップ部が、２次転写領域１３０になっている。

２次転写領域１３０の下流側の搬送路には、定着装置１２０が配置され、この定着装置１２０は、定着ローラ１、加圧ローラ２および電磁誘導加熱部４を有する。定着ローラ１と加圧ローラ２との圧接部が定着ニップ領域１３１となっている。

画像形成装置の下部には、給紙カセット１１７が着脱可能に配置されている。給紙カセット１１７内に積載収容された用紙Ｐは、給紙ローラ１１８の回転によって最上部のものから１枚ずつ搬送路に送り出される。

中間転写ベルト１０２の最下流側の作像ユニット１０６Ｋと２次転写領域１３０との間には、レジストセンサを兼用するＡＩＤＣ（画像濃度）センサ１１９が設置されている。

次に、上記構成の画像形成装置の動作について説明する。

外部装置（例えばパソコン）から画像形成装置の画像信号処理部（図示せず）に画像信号が入力されると、画像信号処理部では、この画像信号をイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）に色変換したデジタル画像信号を作成し、入力されたデジタル信号に基づいて、各作像ユニット１０６Ｙ、１０６Ｍ、１０６Ｃ、１０６Ｋのプリントヘッド部１０９を発光させて露光を行う。

これにより、各感光体ドラム１０７Ｙ、１０７Ｍ、１０７Ｃ、１０７Ｋ上に形成された静電潜像は、各現像器１１０によりそれぞれ現像されて、各色のトナー画像となる。

そして、各色のトナー画像は、各１次転写ローラ１１１Ｙ、１１１Ｍ、１１１Ｃ、１１１Ｋの作用により、矢印Ａ方向に移動する中間転写ベルト１０２上に順次重ね合わせて１次転写される。

このようにして、中間転写ベルト１０２上に形成されたトナー画像は、中間転写ベルト１０２の移動にしたがって２次転写領域１３０に達する。この２次転写領域１３０において、重ね合わされた各色のトナー画像は、２次転写ローラ１０３の作用により、用紙Ｐに一括して２次転写される。

その後、用紙Ｐに２次転写されたトナー画像は、定着ニップ領域１３１に達する。この定着ニップ領域１３１において、トナー画像は、電磁誘導加熱部４によって誘導発熱する定着ローラ１と、加圧ローラ２との作用により、用紙Ｐに定着される。

そして、トナー画像が定着された用紙Ｐは、排紙ローラ１１４を介して、排紙トレイ１１３に排出される。

図２に示すように、定着装置１２０は、定着側回転体としての定着ローラ１と、加圧側回転体としての加圧ローラ２と、加熱部としての電磁誘導加熱部４と、均熱部材としてのヒートパイプ３とを有する。

定着ローラ１および加圧ローラ２は、互いに接触して、記録材としての用紙Ｐを搬送しつつこの用紙Ｐのトナーを定着させる。定着ローラ１は、電磁誘導加熱部４により、加熱される。

ヒートパイプ３は、加圧ローラ２に接触し、定着ローラ１および加圧ローラ２の表面の熱移動を補助して、定着ローラ１および加圧ローラ２の表面温度を均一にする。

定着ローラ１、加圧ローラ２およびヒートパイプ３は、互いに、並行に配列され、それぞれの両端部は、図示しない軸受部材に、回転自在に支持されている。

加圧ローラ２は、バネなどの図示しない加圧機構によって、定着ローラ１側に付勢され、定着ニップ領域１３１を形成している。さらに、ヒートパイプ３も、同様に、加圧ローラ２に圧接されている。

加圧ローラ２は、図示しない駆動機構により、矢印の時計方向に、所定の周速度で回転駆動される。定着ローラ１は、定着ニップ領域１３１での加圧ローラ２との圧接摩擦力によって、加圧ローラ２の回転に従動回転する、さらに、ヒートパイプ３も、同様に、加圧ローラ２の圧接摩擦力により従動回転する。

定着ローラ１の表面温度は、温度センサ９により、検出され、温度センサ９の信号は、制御部８に入力される。温度センサ９は、例えば、非接触式の赤外線センサである。

制御部８は、温度センサ９の信号に基づいて、定着ローラ１の加熱および温調を制御する。つまり、制御部８は、温度センサ９の信号に基づいて、高周波インバータ７を制御し、高周波インバータ７から電磁誘導加熱部４への電力供給を増減させることで、定着ローラ１の表面温度が一定温度になるように、自動制御する。

電磁誘導加熱部４は、励磁コイル４２、消磁コイル４３およびコア４４，４５を有する。励磁コイル４２は、定着ローラ１の長手方向（軸方向）に沿うように、導線を巻いた構造をしている。励磁コイル４２は、高周波インバータ７に接続されて、１０〜１００［ｋＨｚ］、１００〜２０００［Ｗ］の高周波電力が供給され、耐熱性の樹脂で被覆した細い線を数十から数百本を束ねたリッツ線を用いる。

消磁コイル４３は、励磁コイル４２の長手方向に沿うように、巻かれており、用紙搬送が、定着ローラ１の長手方向の中心を基準とすれば、定着ローラ１の長手方向の両端部に消磁コイル４３が配置される。

励磁コイル４２によって誘起された磁束は、メインコア４４および裾コア４５の内部を通り、定着ローラ１の電磁誘導発熱層を貫き、電磁誘導発熱層に渦電流を誘起してジュール熱を発生させる。

励磁コイル４２および消磁コイル４３は、切り替スイッチをもつ高周波インバータ７に、接続されている。そして、大サイズの用紙の通紙時は、励磁コイル４２のみを動作させ、消磁コイル４３は、コイルとしての機能は働かない。

次に、定着動作について説明する。加圧ローラ２が回転駆動され、これに伴い定着ローラ１も従動回転し、電磁誘導加熱部４により定着ローラ１を加熱させ、表面温度が一定温度になる様自動制御された状態において、定着ローラ１と加圧ローラ２との定着ニップ領域１３１に、未定着トナー像を形成担持した用紙Ｐが導入される。この場合、用紙Ｐにおける未定着トナー像の担持面が定着ローラ１に対面する。

定着ローラ１と加圧ローラ２との間の定着ニップ領域１３１に導入された用紙Ｐは、定着ニップ領域１３１にて、扶持搬送されつつ定着ローラ１で加熱されて、未定着トナー像が用紙Ｐに溶融定着されて、用紙Ｐが排出される。

図３に示すように、定着ローラ１は、内側から外側に順に、芯金１１、断熱層１２、電磁誘導発熱層１３、弾性層１４および離型層１５を有する。

芯金１１は、非磁性ステンレス鋼材からなる。断熱層１２は、シリコーンスポンジゴムからなる。電磁誘導発熱層１３は、厚みが３５μｍから６０μｍのNi電鋳スリーブからなる。弾性層１４は、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ．℃以上で厚さ１５０μｍから３００μｍのシリコーンゴムからなる。離型層１５は、厚さ３０μｍから５０μｍのＰＦＡ樹脂チューブからなる。

図４に示すように、加圧ローラ２は、内側から外側に順に、芯金２１、低熱伝導弾性層２２、金属層２３および離型層２４を有する。

金属層２３は、Ni電鋳、SUS、Fe系合金、Al系合金またはCu合金からなる。金属層２３の厚みは、３５〜６０μｍである。Niの熱伝導率は、９０．７Ｗ／ｍ・℃である。SUSの熱伝導率は、１４．２Ｗ／ｍ・℃である。

離型層２４は、PFA粉体樹脂、PFAディスパージョン塗料、PFA/PTFE混合ディスパージョン塗料またはPFAチューブからなる。離型層２４の厚みは、２０〜５０μｍである。離型層２４は、加圧ローラ２へのトナー汚れの付着を防止して、用紙Ｐの画質を向上する。

上述の金属層２３の材質と上述の離型層２４の材質とを選択することにより、離型層２４の金属層２３に対する接着性が向上する。

弾性層２２は、０．３Ｗ／ｍ・℃以下のシリコーンゴムまたはシリコーンスポンジからなる。弾性層２２の厚みは、１ｍｍ以上である。弾性層２２は、金属層２３から芯金２１への熱の漏れを防止する。

金属層２３と弾性層２２とは、互いに、接着されていない。したがって、金属層２３と弾性層２２との熱膨張率が異なっていても、金属層２３と弾性層２２とは、互いに、束縛されずに、金属層２３および弾性層２２の損傷を防止する。

図５に示すように、ヒートパイプ３は、管部３１と、この管部３１の外側の離型層３２とを有する。

管部３１は、Fe合金、SUSまたはA1合金からなる。管部３１は、厚みが０．５ｍｍであり、外径が２１ｍｍであり、長さが３４０ｍｍである。

離型層３２は、PFA粉体樹脂、PFAディスパージョン塗料、PFA/PTFE混合ディスパージョン塗料またはPFAチューブからなる。離型層３２の厚みは、２０〜５０μｍである。離型層３２は、ヒートパイプ３へのトナー汚れの付着を防止して、用紙Ｐの画質を向上する。

管部３１の内部には、作動液としての水が充填されている。この作動液の気化および凝縮により、熱の移動を行って、加圧ローラ２の軸方向の温度を均一にする。

水の量は、管部３１の容積の２０％である。作動液として水を用いているので、ヒートパイプ３の加工が容易となる。なお、作動液を溶剤としたとき、ヒートパイプ３の加工が難しくなる。

上記構成の定着装置によれば、加圧ローラ２は、金属層２３を有するので、定着ローラ１から加圧ローラ２に直接伝えられた熱を、加圧ローラ２の金属層２３により熱輸送して、加圧ローラ２の軸方向の温度を均一にできる。

したがって、小サイズの用紙Ｐの連続通紙における非通紙領域の温度上昇を抑制し、通紙領域と非通紙領域との温度差を低減できるので、非通紙領域の温度を下げるために加熱部の加熱温度を低下する必要がなく、小サイズの用紙Ｐの画質（定着性）の低下を防止できる。また、非通紙領域の温度上昇を抑制できるので、定着ローラ１および加圧ローラ２の熱劣化を防止できる。

また、上記構成の画像形成装置によれば、上記定着装置を備えるので、品質性および耐久性を向上できる。

（第２の実施形態）
図６は、この発明の定着装置の第２の実施形態を示している。上記第１の実施形態と相違する点を説明すると、この第２の実施形態では、加圧ローラの構成が相違する。

図６に示すように、加圧ローラ２Ａは、図４の加圧ローラ２と比べて、金属層２３と離型層２４との間に、高熱伝導弾性層２５を有する。なお、上記第１の実施形態と同一の符号は、上記第１の実施形態と同じ構成であるため、その説明を省略する。

この高熱伝導弾性層２５の熱伝導率は、低熱伝導弾性層２２の熱伝導率よりも大きい。高熱伝導弾性層２５は、０．５Ｗ／ｍ・℃以上のシリコーンゴムからなる。高熱伝導弾性層２５の厚みは、１５０〜３００μｍである。高熱伝導弾性層２５は、加圧ローラ２Ａの軸方向の温度をより均一にする。

次に、図７に、本発明の実施例と比較例との評価を示す。

図７に示すように、実施例１〜実施例３では、上記第１の実施形態（図４）の加圧ローラ２を用いたときの評価を示す。実施例１〜実施例３の評価は、評価１〜評価４に示すように、問題のないものであった。なお、評価において、「◎」は優、「○」は良、「△」は可、「×」は不可を示す。

実施例４〜実施例９では、上記第２の実施形態（図６）の加圧ローラ２Ａを用いたときの評価を示す。実施例４〜実施例９の評価は、評価１〜評価４に示すように、問題のないものであった。特に、実施例５は、最良の形態である。

比較例１では、金属層のない加圧ローラを用いたときの評価を示す。比較例１の評価は、評価１および評価４において、問題のあるものであった。つまり、加圧ローラに金属層がないため、加圧ローラの軸方向の温度を均一にできず、用紙の画質にも問題があった。

次に、図８Ａおよび図８Ｂに、加圧ローラの金属層の有無と、ヒートパイプの有無と、非通紙領域の温度との関係を示す。

図８Ａでは、定着ローラの非通紙領域（端部）の温度を示し、加圧ローラに金属層が有る場合に、非通紙領域の温度の上昇を低減することがわかる。このとき、定着ローラの通紙領域の温度は、１７０℃である。

図８Ｂでは、加圧ローラの非通紙領域（端部）の温度を示し、加圧ローラに金属層が有る場合に、非通紙領域の温度の上昇を低減することがわかる。このとき、加圧ローラの通紙領域の温度は、９０℃である。

なお、この発明は上述の実施形態に限定されない。例えば、加圧側回転体（加圧ローラ２）は、芯金と、この芯金の径方向外側に少なくとも金属層とを有していればよい。また、均熱部材として、ヒートパイプ３の代わりに、金属の円筒部材を用いてもよく、この円筒部材の熱伝導率は、例えば、１４．０Ｗ／ｍ・℃以上である。また、加熱部として、電磁誘導加熱部の代わりに、ヒータを用いてもよい。また、定着側回転体および加圧側回転体は、ローラ形状以外に、ベルト形状であってもよい。

本発明の画像形成装置の一実施形態を示す簡略構成図である。 本発明の定着装置の一実施形態を示す簡略構成図である。 定着ローラの拡大断面図である。 加圧ローラの拡大断面図である。 ヒートパイプの拡大断面図である。 他の加圧ローラの拡大断面図である。 本発明の実施例と比較例との評価を示す表である。 加圧ローラの金属層の有無と、ヒートパイプの有無と、定着ローラの非通紙領域の温度との関係を示す表である。 加圧ローラの金属層の有無と、ヒートパイプの有無と、加圧ローラの非通紙領域の温度との関係を示す表である。

１ 定着ローラ（定着側回転体）
１１ 芯金
１２ 断熱層
１３ 電磁誘導発熱層
１４ 弾性層
１５ 離型層
２，２Ａ 加圧ローラ（加圧側回転体）
２１ 芯金
２２ 低熱伝導弾性層
２３ 金属層
２４ 離型層
２５ 高熱伝導弾性層
３ ヒートパイプ（均熱部材）
３１ 管部
３２ 離型層
４ 電磁誘導加熱部（加熱部）
４２ 励磁コイル
４３ 消磁コイル
４４ メインコア
４５ 裾コア
７ 高周波インバータ
８ 制御部
９ 温度センサ

Claims (9)

1. 互いに接触して記録材を搬送しつつこの記録材のトナーを定着させる定着側回転体および加圧側回転体と、
   上記定着側回転体を加熱する加熱部と
   を備え、
   上記加圧側回転体は、内側から外側に順に、芯金、低熱伝導弾性層、金属層、高熱伝導弾性層および離型層を有し、上記高熱伝導弾性層の熱伝導率は、上記低熱伝導弾性層の熱伝導率よりも大きく、
   上記高熱伝導弾性層の熱伝導率は、０．５Ｗ／ｍ・℃以上であり、上記低熱伝導弾性層の熱伝導率は、０．３Ｗ／ｍ・℃以下であり、
   上記高熱伝導弾性層の厚みは、１５０〜３００μｍであり、上記低熱伝導弾性層の厚みは、１ｍｍ以上であ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、
   上記加圧側回転体に接触する均熱部材を有することを特徴とする定着装置。
3. 請求項２に記載の定着装置において、
   上記均熱部材は、作動液を水としたヒートパイプであることを特徴とする定着装置。
4. 請求項３に記載の定着装置において、
   上記均熱部材は、最も外側に、離型層を有することを特徴とする定着装置。
5. 請求項１から４の何れか一つに記載の定着装置において、
   上記金属層は、Ni電鋳、SUS、Fe系合金、Al系合金またはCu合金からなり、
   上記離型層は、PFA粉体樹脂、PFAディスパージョン塗料、PFA/PTFE混合ディスパージョン塗料またはPFAチューブからなることを特徴とする定着装置。
6. 請求項１から５の何れか一つに記載の定着装置において、
   上記高熱伝導弾性層は、シリコーンゴムからなることを特徴とする定着装置。
7. 請求項１から６の何れか一つに記載の定着装置において、
   上記金属層と上記低熱伝導弾性層とは、互いに、接着されていないことを特徴とする定着装置。
8. 請求項１から７の何れか一つに記載の定着装置において、
   上記低熱伝導弾性層は、シリコーンゴムまたはシリコーンスポンジからなることを特徴とする定着装置。
9. 請求項１から８の何れか一つに記載の定着装置を備えることを特徴とする画像形成装置。

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