JP5026746B2 - 定着装置、画像形成装置および温度制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、複写機，プリンタ，ファクシミリ等の電子写真方式の画像形成装置に関する。特に、ローラ対により形成されるニップ部、あるいはローラとベルトとにより形成されるニップ部に未定着トナー像を担持する記録媒体を通過させ、加熱するとともに加圧してトナー像を記録媒体に定着させる定着装置およびその定着装置を備えた画像形成装置に関する。

熱定着装置において、連続通紙を行うと、定着ローラ（ベルト定着の場合は定着ベルト：以下一般表記として定着ローラと記す）の用紙エリア外の端部は、転写材に熱を奪われないために、エリア内に比べ、温度上昇を起こす。温度上昇が進むと、定着ローラの芯金部分に対し弾性材部分が剥離し、定着ローラが破損する恐れがある。このため温度上昇の防止策として、連続通紙の通紙間隔を長くして一旦上昇した端部温度を下げてから通紙することで対応した。これは時間あたりの出力枚数が減少することになる。
定着ローラの両端部を積極的に冷却する提案がいくつかある（例えば特許文献１ 参照。）。この文献では、定着ローラ両端部に常時接触する冷却部材を有している。
しかし、常時冷却が行われていると、通紙間隔が長いときには通紙していないときにも冷却されているため、冷却が通紙領域にまで影響を及ぼすことになり、画像形成に悪影響を与えるおそれがある。

画像形成中の状況によって定着ローラ端部に冷却部材を接離させる提案がある（例えば、特許文献２ 参照。）。この文献では、定着ローラ端部の温度を検出して冷却部材の接離を行うか、通紙枚数をカウントして所定枚数を超えたら冷却手段を作動させている。
これらの方法では、冷却部材を動作させるための判断部分（検出部分）と、冷却動作をさせる機構部分とが分かれており、その分、構成が複雑になっている。
端部温度の上昇が生ずる理由は用紙が通るところと、通らないところがあるためであるから、用紙が通る都度用紙による冷却効果と同程度の冷却をしてやればよい筈である。したがって、通常行われている用紙の通過検知と関係付けることができれば、効果的な冷却が可能となる。
用紙サイズを検知する提案がある（例えば特許文献３ 参照。）。ただし、この提案はペーパガイドの選択をするためのものであり、用紙に接触するアクチュエータを用いて用紙サイズの検知をしている。

特開２００４−４５９５０号公報 特開２００２−２５８６４５号公報 特開２００２−１９３４８０号公報

通紙間隔を長くしないで、通常の出力枚数を維持したままで、且つ、簡単な構成で安価に対応できる方法を提案する。

請求項１に記載の発明では、定着ローラと加圧ローラ、または定着ベルトと加圧ローラによってニップ部を形成し、トナー像を担持した用紙を前記ニップ部に通過させることによって前記トナー像を前記用紙に定着する定着装置において、前記ニップ部を構成する部材の少なくとも一方を、熱源を有する接触相手部材として、該接触相手部材の端部近傍に、前記用紙のニップ部通過にほぼ同期して接触し、該接触相手部材の熱を接触吸収する温度制御部材を有することを特徴とする。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の定着装置において、前記温度制御部材と一体的に構成されて前記用紙の有無を検出するアクチュエータを有し、前記温度制御部材の前記接触動作は前記アクチュエータによる用紙の有無検出動作に連動することを特徴とする。
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の定着装置において、前記用紙の有無を電気信号に変換するペーパセンサを有し、前記アクチュエータの用紙検出部分は、前記ニップ部より下流に位置し、前記電気信号の発生は前記アクチュエータによる用紙の有無検出動作に連動することを特徴とする。

請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の定着装置において、前記ペーパセンサは光電変換素子を有し、該光電変換素子の光路を開閉する光路開閉部材を、前記アクチュエータと一体的に構成したことを特徴とする。
請求項５に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の定着装置において、前記温度制御部材は、最大通紙幅の外側に対応する位置に配置することを特徴とする。
請求項６に記載の発明では、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の定着装置において、前記温度制御部材は、金属または耐熱樹脂を主要材料として構成されることを特徴とする。
請求項７に記載の発明では、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の定着装置において、前記温度制御部材は、前記接触相手部材に従動可能な回転体であることを特徴とする。

請求項８に記載の発明では、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の定着装置において、前記温度制御部材は、前記接触相手部材の動作を阻害せずかつ弾性的に接触するバネ状部材であることを特徴とする。
請求項９に記載の発明では、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の定着装置において、前記接触相手部材は基材と、該基材とは異なる弾性層あるいは表層を有することを特徴とする。
請求項１０に記載の発明では、請求項１ないし９のいずれか１つに記載の定着装置を用いた画像形成装置を特徴とする。

請求項１１に記載の発明では、定着ローラと加圧ローラ、または定着ベルトと加圧ローラによってニップ部を形成し、トナー像を担持した用紙を前記ニップ部に通過させることによって前記トナー像を前記用紙に定着し、前記ニップ部を構成する部材の少なくとも一方の、熱源を有する接触相手部材の端部近傍に接離可能な温度制御部材を、前記用紙のニップ部通過にほぼ同期して接触させて該接触相手部材の熱を接触吸収させる温度制御方法を特徴とする。

本発明によれば、紙の進行に同期して、定着もしくは加圧のローラもしくはベルトに対して軸方向における用紙エリア外に接離可能な温度制御装置を配置することで、温度制御部材に対向するローラもしくはベルトの温度上昇を抑えることが出来る。

図１は本発明の画像形成装置の一実施形態を示す概略構成図である。
同図において符号１は感光体、２は帯電装置、３は感光体上に静電潜像を形成するＲＯＳ（レーザ出力部）、４は現像装置、５は転写装置、６は定着装置、７は用紙トレイ、８はクリーナ、９は除電装置、１０は画像形成装置をそれぞれ示す。
画像形成装置１０には、矢印Ａ方向に回転する感光体１、感光体１の表面を帯電するスコロトロン帯電装置２、帯電された感光体１の表面を画像情報により変調された露光光Ｒで露光して感光体１上に静電潜像を形成するＲＯＳ（レーザ出力部）３、感光体１上の静電潜像をトナーで現像して感光体１上にトナー像を形成する現像装置４、感光体１上のトナー像を用紙Ｐに転写する転写装置５、用紙Ｐに転写されたトナー像を定着する定着装置６、用紙Ｐを収納する用紙トレイ７、感光体１の表面をクリーニングするクリーナ８、感光体１表面の残留電荷を除去する除電装置９が備えられている。

次に、同図を参照しながらこの画像形成装置における画像形成動作について説明する。
先ず、図示しない画像読取部で原稿から読み取られた原画像信号、あるいは外部のコンピュータ（図示せず）などで作成された原画像信号が画像処理部（図示せず）に入力され、適切な画像処理が行われる。こうして得られた入力画像信号がＲＯＳ（レーザ出力部）３に入力され、レーザ光線Ｒを変調する。入力画像信号によって変調されたレーザ光線Ｒは、スコロトロン帯電装置２により一様帯電された感光体１の表面にラスタ照射される。感光体１表面にレーザ光線Ｒがラスタ照射されると、感光体１上には入力画像信号に対応した静電潜像が形成される。

感光体１上に形成された静電潜像は現像装置４によりトナーで現像され、感光体１上にトナー像が形成される。感光体１上に形成されたトナー像は感光体１の矢印Ａ方向への回転に伴われて、感光体１に対向して配置された転写装置５に向かって搬送される。
一方、用紙トレイ７に収納されていた用紙Ｐが感光体１と転写装置５との間のニップ部に向かって供給され、転写装置５により感光体１上のトナー像が用紙Ｐ上に転写される。用紙Ｐ上に転写されたトナー像は、定着装置６によって搬送されて定着され所望の画像が得られる。
トナー像の用紙Ｐ上への転写が終了した感光体１の表面に付着した残留トナーなどの付着物はクリーナ８によりクリーニングされ、さらに、感光体１の表面の残留電荷が除電装置９により除去されて、１回の画像形成動作が終了する。

図２は本発明の定着装置の一実施形態の構成図である。
同図において符号６１は定着ローラ、６２は対向ローラ、６３はニップ部、６４は熱源、６５は温度検知装置、６７は剥離ガイド、６８は、６１１は円筒状の芯金、６１２は弾性層、６１３は離型層をそれぞれ示す。
定着装置６には、矢印Ｂ方向に回転する定着ローラ６１と矢印Ｃ方向に回転する対向ローラ６２とが備えられており、それらは互いに接触してニップ部６３を形成している。
定着ローラ６１は、円筒状の芯金６１１と、その芯金６１１を覆う弾性層６１２とその弾性層表面を覆う、樹脂材料で形成された離型層６１３を有し、芯金６１１の内部に配置された熱源６４により加熱されるようになっている。
また定着ローラ６１の周囲には、その定着ローラ６１の表面の温度を検知する温度検知装置６５が設けられており、その定着ローラ６１の表面温度が所定の温度となるよう、図示しない制御装置を介して熱源６４による発熱量が制御されている。

トナー像Ｔが形成された紙、あるいはＯＨＰフィルムなどの用紙Ｐが矢印Ｄ方向からニップ部６３に向けて搬送されてくる。
定着ローラ６１の後方近傍には、ニップ部６３から出てきた用紙Ｐを定着ローラ６１から剥離するための剥離ガイド６７が備えられている。この剥離ガイド６７は、定着ローラ６１の回転軸方向（同図の紙面に垂直な方向）について用紙Ｐの通過領域全域に広がるブレード状のものである。剥離ガイド６７は、一体化された物でもかまわないし、複数に分割された物でもかまわない。

次に定着器の説明を行う。定着器は一般的なもので、簡単に構成説明を以下に記載する。
定着ローラ６１と加圧ローラ６２があり、圧接力でニップ部６３を形成している。現構成はおよそφ３５で定着ローラ６１の中空部分にヒータランプ６４を挿入している。ニップ幅は圧接力にもよるが、６ｍｍ前後である。定着、加圧ローラは、基材となる芯金上にプライマ、シリコンゴム、表層から構成されている。プライマ層は耐熱が２５０℃程度で厚みが５０μｍ以下。シリコンゴムは０．３ｍｍから２．５ｍｍ程度、今回は１．７ｍｍとした。表層はＰＦＡチューブ５０μｍ以下やコートが挙げられる。
また通紙領域内にサーミスタと過熱防止のサーモスタットが配置してある。また用紙搬送を安定にさせるためにニップ前後に図示しないガイド板と分離板を配置、ニップ直後に紙の通過もしくはジャムを検知するペーパセンサを配置するのが普通である。

図３は本発明の１実施形態を説明するための図である。同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は一部断面の側面図である。
同図において符号６９は温度制御装置、６９０は支点軸、６９１はアクチュエータ、６９２は温度制御部材を構成する従動コロ、６９３は制御部材ホルダ、６９４は放熱部材をそれぞれ示す。
同図（ｂ）において、温度制御装置６９は側面から見ると、支点軸６９０を中心にセンシング機能を有するアクチュエータ６９１と、制御部材ホルダ６９３の保持された温度低下機能を有する従動コロ６９２を有している。アクチュエータ６９１と制御部材ホルダ６９３はともに支点軸６９０に固定されることによって一体的に構成されており、アクチュエータ６９１が支点軸の周りに任意の角度回動すると、制御部材ホルダ６９３も一緒に同じ角度だけ回動する。
同図（ａ）において、アクチュエータ６９１、従動コロ６９２、アクチュエータ６９１を有する温度制御装置６９は、重心Ｇが同図の支点軸６９０より右になるように構成し、自重により時計回り方向の回動習性が与えられていて、アクチュエータ６９１がストッパＳに当接してそれ以上回動しないようになっており、アクチュエータ６９１の先端部は通紙領域内にある。構成によっては、自重による回動習性が十分得られないときはバネなどを用いてもよい。従動コロ６９２、制御部材ホルダ６９３は通紙領域外にある。

温度制御装置６９の動作は、定着ニップを通過した用紙Ｐがアクチュエータ６９１と接触し、用紙Ｐはそのままの状態で進行するが、アクチュエータ６９１はそれ自身の回動習性に逆らうように、支点軸６９０を中心に先端部が用紙面と接触を保ったまま矢印Ａの方向に回動させられる。この回動に伴い、従動コロ６９２は定着ローラ６１の外周面に接触し、定着ローラ６１の回転に連れ回されて回転する。その後、用紙Ｐとアクチュエータ６９１の接触がなくなれば、アクチュエータ６９１は元の位置に戻り、従動コロ６９２は定着ローラ６１から離れて回転は停止する。
従動コロ６９２は、定着ローラ６１と用紙Ｐが定着ニップをほぼ通過中に接触し、連れ回りによって回転することで定着ローラ６１表層の熱を接触吸収している。吸収した熱エネルギは従動コロ６９２と密着一体化された放熱部材６９４によって放熱され、極端な温度上昇に至らないようになっている。放熱部材６９４は放熱フィンなど、任意の公知技術を用いることができる。
従動コロ６９２は、定着ローラ６１の用紙通過領域外（両端部）、好ましくは最大通紙幅の外側に対応する位置で接触することで、端部の温度上昇を防いでいる。用紙Ｐが通過していない待機状態では、従動コロ６９２は停止しており、周辺の空気によって自然に冷却される。
同図の例では用紙Ｐとアクチュエータ６９１の接触を、用紙が定着ニップを通過した直後にしているが、構成が可能であれば通過直前になるよう配置しても構わない。要は、両者の接触と用紙の通過がほぼ同期していればよい。

図４は本発明の他の実施形態を説明するための図である。同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は一部断面側面図である。
同図において符号６９５は光路開閉部材、６９６はフォトインタラプタなどの光電変換素子等からなるペーパセンサをそれぞれ示す。
本実施形態では、アクチュエータ６９１とは別の光路開閉部材６９５が支点軸６９０の一端近くに配置され、支点軸６９０を介してアクチュエータ６９１と一体的に構成されている。光路開閉部材６９５は、その先端部がペーパセンサ６９６に対して出入りし、光電変換素子の光路を開閉して用紙Ｐの通過に同期した信号を発生する。その他の形状は先の実施形態と同様である。

ペーパセンサ６９６がフォトインタラプタの場合、光路開閉部材６９５は常時はペーパセンサ６９６の光路を遮断する位置にあり、用紙Ｐが通過中は同図の点線位置に移動してペーパセンサ６９６の光路が形成される。したがって、光電変換素子の出力が生じたことによって、用紙Ｐ有りの情報を得ることができる。この情報により、装置が正常に作動していて、紙詰まりによる火災の発生の心配がないことを確認している。したがって、この場合はアクチュエータ６９１先端位置を用紙が定着ニップを通過した直後に配置する必要がある。
なお、常時は光路を形成（開放）していて、ペーパ通過により光路が遮断されるように構成しても原理的には同じである。要は、用紙の存在が電気信号に変換されればよいので、用紙ありに合わせて出力をオンからオフに変化させても、逆にオフからオンに変化させても、用紙の存在は確認できる。
ペーパセンサ６９６として、光路開閉部材６９５の通路に向けて同一面に並べた投受光素子からなるフォトカプラを用い、光路開閉部材６９５を反射面に形成してもよい。この場合は、光路開閉部材６９５がペーパセンサ６９６の位置にあって、フォトカップラと対向しているときは、投光素子からの光束が光路開閉部材６９５の反射面によって反射されて投光素子と受光素子の間に光路が形成され、受光素子に光が入って電気出力が発生する。光路開閉部材６９５の位置が変化すると、光路が遮断されたことになり反射光が無くなり、受光素子からの電気出力が無くなる。

用紙の存在を確認する方法は光電変換素子に限らず、機械的なマイクロスイッチなどを使うことも可能である。特に図示はしないが、マイクロスイッチであれば、アクチュエータ６９１あるいは光路開閉部材６９５の、位置の変化が大きいところなら任意の場所に取りつけることができる。例えば、同図のペーパセンサ６９６の代わりにその位置近傍にマイクロスイッチを取り付け、マイクロスイッチ側のアクチュエータを光路開閉部材６９５の先端部に接触させてもよい。
同図ではアクチュエータ６９１と光路開閉部材６９５を別部材として構成しているが、ペーパセンサ６９６を同図に点線で示すように配置して、アクチュエータ６９１の一部が光路開閉部材６９５を兼ねてもよい。
用紙Ｐの通過中、温度制御部材６９２が定着ローラ６１に接触することは先の実施形態と同じである。

図５は本発明のさらに他の実施形態を説明するための図である。同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は一部断面側面図である。
同図において符号６９７は温度制御部材の一部を構成する板バネ、６９８は板バネを保持するホルダをそれぞれ示す。
基本の動作は先の実施形態とほぼ同様である。温度制御部材はやや弱い弾性力を有する板バネ６９７とホルダ６９８で構成されており、板バネ６９７の接触によっても定着ローラ６１の表面を傷つけず、熱の伝導だけが生ずるようになっている。ホルダ６９８は熱容量が大きめの材質で構成されており、定着ローラ６１からの熱を吸収しやすくしてある。ホルダ６９６の表面は細かい凹凸面に形成することによって、空気中への放熱をしやすく構成しておくとよい。必要があれば、一部に放熱フィンを形成すればなおよい。板バネ６９７は金属製のバネに限らず、バネ状の部材であれば特に限定はしない。
なお、板バネ６９７は同図ではホルダ６９８の下側に固定して、自由端が上向きになるよう取り付けているが、固定端と自由端を逆にしてもかまわない。

図６は本発明のさらに他の実施形態を説明するための側断面図である。
同図において符号７０は加熱ローラ、７１は定着ベルトをそれぞれ示す。
本実施形態は、本発明を、定着ベルトを用いる構成に適用した例を示している。定着ベルト７１は加熱ローラ７０によって熱せられ、回転駆動により定着ローラ６１の位置まで移動して定着ローラ６１と共に用紙Ｐを熱して定着を行う。この場合も、温度制御部材６９２は定着ローラ６１に対応した位置で定着ベルト７１表面に接離させることで定着ローラ両端の温度上昇を抑えることができる。
温度制御部材６９２の代わりに、前図にて示した板バネ６９７とホルダ６９６による温度制御部材を用いてもかまわない。

図７は温度制御装置がある場合とない場合との定着ローラ両端の温度比較を示す図である。
同図において縦軸の温度上昇の原点は、定着ローラ中央部の制御された定着温度としている。
１０００枚の連続通紙を行ったところ、本発明の温度制御装置がない場合、定着ローラの用紙領域外の温度は連続５０枚通紙時で２２ｄｅｇ上昇、１００枚時で２６ｄｅｇ上昇、２００枚以後は３０ｄｅｇ上昇でそれ以後は飽和した。
これに対して、温度制御装置がある場合は、５０枚で９ｄｅｇの上昇、１００枚で１２ｄｅｇの上昇、５００枚で１５ｄｅｇの上昇でそれ以後は飽和した。
これより温度制御装置を通紙中に定着ローラに接触させることで、定着ローラの一部領域における温度上昇を阻止できることがわかった。

今回の確認条件として、ローラ中央部の定着温度を１９０℃で温度制御（初期数枚の温度低下を除くと実際には±３℃で制御されている）、システム速度１２０ｍｍ、Ａ４を縦通紙（軸方向２１０ｍｍ、搬送方向２９７ｍｍ）で２０枚／分、温度制御部材は用紙端部から１０ｍｍ幅で両端に取り付けた。温度制御部材の形状は、アルミ製φ１５の従動コロとした。従動コロの熱容量を大きくすることで、効果はさらに大きくなる。（逆に熱容量を小さくすると、効果は小さくなる。）このため必要に応じた熱容量に設定すればよい。
温度制御装置としては、アルミ以外にも、他の金属や、３００℃に耐えられる耐熱樹脂が使用可能である。また従動コロ以外の形態としては、実施形態にその一例を示したように、板バネ等のバネ状部材がある。要するに定着ローラの回転を阻害せず、且つ定着ローラと確実に接触するために弾性部分を持たせる必要がある。

以上の説明では、主として定着ローラについて記載したが、実施形態でも示したように、実際には定着ベルトでも適用できる。また加圧ローラにヒータがある場合も適用できる。その際必要となるものは、ローラの場合であれば芯金上に少なくとも弾性層があればよい。またベルトの場合であれば、基材上に表層材があればよい。

本発明の画像形成装置の一実施形態を示す概略構成図である。 本発明の定着装置の一実施形態の構成図である。 本発明の１実施形態を説明するための図である。 本発明の他の実施形態を説明するための図である。 本発明のさらに他の実施形態を説明するための図である。 本発明のさらに他の実施形態を説明するための側断面図である。 温度制御装置がある場合とない場合との定着ローラ両端の温度比較を示す図である。

符号の説明

６ 定着装置
６１ 定着ローラ
６２ 対向ローラ
６３ ニップ部
６４ 熱源
６９ 温度制御装置
６９１ アクチュエータ
６９２ 温度制御部材としての従動コロ
６９３ センシングアクチュエータ
６９４ ペーパセンサ
６９５ 温度制御部材としての板バネ
６９６ 板バネのホルダ
７１ 定着ベルト

Claims (11)

1. 定着ローラと加圧ローラ、または定着ベルトと加圧ローラによってニップ部を形成し、トナー像を担持した用紙を前記ニップ部に通過させることによって前記トナー像を前記用紙に定着する定着装置において、前記ニップ部を構成する部材の少なくとも一方を、熱源を有する接触相手部材として、該接触相手部材の端部近傍に、前記用紙のニップ部通過にほぼ同期して接触し、該接触相手部材の熱を接触吸収する温度制御部材を有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、前記温度制御部材と一体的に構成されて前記用紙の有無を検出するアクチュエータを有し、前記温度制御部材の前記接触動作は前記アクチュエータによる用紙の有無検出動作に連動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、前記用紙の有無を電気信号に変換するペーパセンサを有し、前記アクチュエータの用紙検出部分は、前記ニップ部より下流に位置し、前記電気信号の発生は前記アクチュエータによる用紙の有無検出動作に連動す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、前記ペーパセンサは光電変換素子を有し、該光電変換素子の光路を開閉する光路開閉部材を、前記アクチュエータと一体的に構成したことを特徴とする定着装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１つに記載の定着装置において、前記温度制御部材は、最大通紙幅の外側に対応する位置に配置することを特徴とする定着装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１つに記載の定着装置において、前記温度制御部材は、金属または耐熱樹脂を主要材料として構成されることを特徴とする定着装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１つに記載の定着装置において、前記温度制御部材は、前記接触相手部材に従動可能な回転体であることを特徴とする定着装置。
8. 請求項１ないし６のいずれか１つに記載の定着装置において、前記温度制御部材は、前記接触相手部材の動作を阻害せずかつ弾性的に接触するバネ状部材であることを特徴とする定着装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか１つに記載の定着装置において、前記接触相手部材は基材と、該基材とは異なる弾性層あるいは表層を有することを特徴とする定着装置。
10. 請求項１ないし９のいずれか１つに記載の定着装置を用いたことを特徴とする画像形成装置。
11. 定着ローラと加圧ローラ、または定着ベルトと加圧ローラによってニップ部を形成し、トナー像を担持した用紙を前記ニップ部に通過させることによって前記トナー像を前記用紙に定着し、前記ニップ部を構成する部材の少なくとも一方の、熱源を有する接触相手部材の端部近傍に接離可能な温度制御部材を、前記用紙のニップ部通過にほぼ同期して接触させ、前記接触相手部材の熱を接触吸収することを特徴とする温度制御方法。

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