JP5081419B2 - 定着装置の設計方法、電子写真記録装置の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、プリンタ、ファクシミリ、複写機等のトナー等の着色粒子を用いて画像を顕像化させる電子写真記録装置に関し、詳細には、記録体の表面に形成されるトナー像を記録体に定着させる定着装置の設計方法、及びこれを用いた電子写真記録装置の設計方法に関する。

電子写真方式を用いた記録装置は、着色粒子を記録体表面に画像として顕像化させる現像工程と顕像化された着色粒子画像を記録体に固着させる定着工程から成る。着色粒子には電子写真専用のトナーと呼ばれる粉末が用いられる。トナーは加熱により融解し、冷却により凝固する。上記定着工程では、このトナーの性質を利用して、トナーを加熱させることにより融解させ、記録媒体に定着させる。

従来、記録媒体上のトナー像を定着する装置としてローラ内部に配置されたハロゲンヒーターにて加熱したヒートローラに加圧ローラをコイルスプリングなどで押圧し、ローラ間にニップ部を形成し、その間にトナーが付着した記録媒体を通過させ、加熱及び加圧し定着する方法が多く用いられている。この方法をカラー画像の定着に用いる場合、定着画質を向上させるためにトナーと接するヒートロール表面には弾性層が必要となる。

しかし、この場合ヒートロール内部から外部に向かう熱伝導を発生させ、その際弾性層が熱抵抗層となるため、ヒートロール表面層に弾性体を用いたとしても厚くすることに限界があり、弾性層の効果を十分に発揮させるのは困難である。この問題を解決するため、３ロールタイプのベルト定着が考案され、実用化されている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、少なくとも加熱ローラ、耐熱定着ベルト、定着ローラ、加圧ローラとからなり、耐熱定着ベルトは加熱ローラと定着ローラに張架し、耐熱定着ベルトは加熱ローラで加熱し、加圧ローラを耐熱定着ベルトと定着ローラに圧接させて挟持部を形成し、挟持部にトナーを有する記録媒体を挿通させてトナーを定着する電子写真記録装置用の３ローラベルト定着装置が提案されている。

特開２００２−４９２５７号公報

上述した従来の３ローラベルト定着装置では、比較的低速機に用いられてきたため、加熱ローラに巻きかけた耐熱定着ベルトの巻きかけ長さはニップ部の長さ（ニップ幅と呼ぶ）に対して十分に長く取れるのが一般的である。そのため、加熱ローラの耐熱定着ベルトの巻きかけ長に対して熱的な効率はあまり配慮せず、加熱ローラの直径は主に装置の実装スペースを重視して決定しても、定着不良などの画像品質上の問題は発生しなかった。

高速機への適用を考えると、上記の実装スペースを重視した設計では、加熱ローラは熱的に最適な構成にはならない場合が多い。即ち、加熱ローラの直径が小さく、耐熱定着ベルトが厚いと必要な熱量を定着ベルトに与えられず定着不良を引き起こし、あるいは紙幅方向に大きな温度分布を発生させるという問題が発生する。さらに、加熱ローラの芯金が薄いと定着ベルトに安定的に熱量を与えられず、紙幅方向への温度分布が拡大するという問題がある。

このような従来の事情にかんがみ、本発明の目的は、定着不良がなく、定着ベルトの温度分布が均一で安定な３ローラベルト定着装置の設計方法、及び電子写真記録装置の設計方法を提供することにある。

本発明に係る定着装置の設計方法は、少なくとも加熱ローラ、耐熱定着ベルト、定着ローラ、加圧ローラとからなり、該耐熱定着ベルトを該加熱ローラと該定着ローラに張架し、該耐熱定着ベルトを該加熱ローラで加熱し、該加圧ローラを前記耐熱定着ベルトと前記定着ローラに圧接させて挟持部を形成し、該挟持部にトナーを有する記録媒体を挿通させて前記トナーを該記録媒体に定着させる定着装置を設計する設計方法であって、前記耐熱定着ベルト材料の有効熱拡散率と、前記挟持部で記録媒体と接触した前記耐熱定着ベルト表面上の一部分が該耐熱定着ベルトの前記加熱ローラへの巻きかけ部分を通過する時間との積の平方根の値を得る工程と、前記平方根の値で定まる厚さ以下に前記耐熱定着ベルトの厚さを定める工程と、からなることを特徴とする。

また本発明に係る電子写真記録装置の設計方法は、少なくとも、トナー像を記録体上に作像する作像装置と該記録体上に作像された未定着のトナー像を定着する定着装置とからなる電子写真記録装置の設計方法であって、前記定着装置が、少なくとも加熱ローラ、耐熱定着ベルト、定着ローラ、加圧ローラとからなり、該耐熱定着ベルトを該加熱ローラと該定着ローラに張架し、該耐熱定着ベルトを該加熱ローラで加熱し、該加圧ローラを前記耐熱定着ベルトと前記定着ローラに圧接させて挟持部を形成し、該挟持部にトナーを有する記録媒体を挿通させて前記トナーを該記録媒体に定着させるものであって、該定着装置の設計方法が、前記耐熱定着ベルト材料の有効熱拡散率と、前記挟持部で記録媒体と接触した前記耐熱定着ベルト表面上の一部分が該耐熱定着ベルトの前記加熱ローラへの巻きかけ部分を通過する時間との積の平方根の値を得る工程と、前記平方根の値で定まる厚さ以下に前記耐熱定着ベルトの厚さを定める工程と、からなることを特徴とする。

すなわち本発明の対象とする定着装置は、例えば加熱ローラと厚い弾性層を有する定着ローラに表面に離型層を有する耐熱定着ベルトを張架し、定着ローラに加圧ローラを圧接させてニップ部を形成した構成のものである。加熱ローラで耐熱定着ベルトを加熱してニップ部に回動させ、ニップ部にトナーが付着した記録媒体を通過させ、加熱及び加圧し定着する。この手法では、ヒートロール表面の弾性層の加熱と定着の機能を分離したので、定着ローラに厚い弾性層を用いることができ、高画質なカラー画像が得られるという利点がある。本明細書ではこの方式を３ローラベルト定着と言う。

この耐熱定着ベルトの厚さは、ベルト材料の有効熱拡散率とベルト上の任意の一点が加熱ローラの巻きかけ部を通過する時間（以後、巻きかけ時間と呼ぶ）との積の平方根で定まる厚さ以下に形成されることを特徴とする。さらに、望ましくは加熱ローラ芯金の厚さは芯金材料の有効熱拡散率と一回転周期から巻きかけ時間を差し引いた時間との積の平方根で定まる厚さ以上に形成されていることを特徴とする。

定着ローラと加圧ローラで形成されたニップ部での定着を終え、加熱ローラに戻ってくる耐熱定着ベルトの温度は記録紙の位置に応じた分布がついている。即ち、耐熱定着ベルトの定着時に記録紙と接した部分は低温になっており、それ以外の部分は高温になっている。加熱ローラに巻き掛けられた間に耐熱定着ベルトの裏面側が加熱されその熱が表面まで伝導すると耐熱定着ベルト表面の温度が上昇し始める。特に記録紙と接して低温になった部分の耐熱定着ベルト内部の温度分布が、加熱ローラの巻き掛け部を通過し終わる時に、記録紙と接しない部分と等しくなるまで上昇していれば、耐熱定着ベルトの紙幅方向への温度分布は均一となる。もし、記録紙と接した部分と接しない部分とで差があれば、記録紙を何枚か定着する間にその差は次第に拡大して、耐熱定着ベルトの紙幅方向への温度分布がある値となった時に拡大は止まり、その時点での温度分布がついたまま印刷が継続されることになる。位置的、時間的に安定な定着品質を得るには、この温度分布の時間的拡大と一定となったときの絶対的な温度分布（位置的温度差）が少ないことが望まれる。これを達成するには、少なくとも巻きかけ時間中に加熱ローラの芯金から供給された熱が耐熱定着ベルトの表面に達することが必要条件となる。

これは、ベルト材料の有効熱拡散率とベルト上の任意の一点が加熱ローラの巻きかけ部を通過する時間（以後、巻きかけ時間と言う）との積の平方根で定まる厚さ以下に形成されることにより満たされるのである。また、この効果は、耐熱定着ベルトの巻き掛け時間を耐熱定着ベルトの次式に示す熱浸透時間より長く設定しても同様である。ａを耐熱定着ベルトの有効熱拡散率、ｌを耐熱定着ベルトの厚さ、ｔを巻き掛け時間とすると、熱浸透時間は次のように示される。
ｔ＝ｌ^２／ａ
伝熱工学上では、熱浸透厚さｌは（１２ａｔ）^０．５とされている。その際、熱浸透時間ｔはｌ^２／１２ａとなる、本発明では熱浸透厚さｌを（ａｔ）^０．５と考えて、上式を導出している。これは、例えば特許第２９０９４９９号に示されているように、電子写真の定着では実用的には熱浸透厚さを（ａｔ）^０．５と考えるのが妥当であるという経験的知見に基づく。

このように、耐熱定着ベルトに大きな熱量を供給すると、加熱ローラの芯金の温度が低下するが、芯金の厚さを最適に設定することにより、その温度変動を最小にすることができる。芯金は加熱ローラの巻き掛け部を過ぎた直後から次に巻き掛け部に至るまでに、元の温度に復帰している必要がある。そのためには、加熱ローラ芯金の厚さは芯金材料の有効熱拡散率と一回転周期から巻きかけ時間を差し引いた時間との積の平方根で定まる厚さより厚く設定することが必要条件となる。すなわち、加熱ローラの外面から芯金材料の有効熱拡散率と一回転周期から巻きかけ時間を差し引いた時間との積の平方根で定まる厚さまでの部分は耐熱定着ベルトへの熱供給により変動する部分（熱伝導部分と呼ぶ）である。それより、厚い部分は蓄熱部として機能でき、蓄熱部を形成させることにより熱伝導部分に安定的に熱を供給することが可能になるのである。

本発明は、巻きかけ時間中に加熱ローラの芯金から供給された熱が耐熱定着ベルトの表面に達するようになり、温度分布の時間的拡大と絶対的な温度分布（位置的温度差）を少なくできるので、定着不良がなく、位置的、時間的に安定な定着品質を得ることができる。

また本発明は、芯金に蓄熱部が形成され芯金の温度変動を最小にすることができ、定着不良が無いことはもちろんであるが、位置的、時間的により安定な定着品質を得ることができる。

以下本発明を実施するための最良の形態を、図に示す実施例を参照して説明する。

以下、本発明の一実施例を図１および図２を用いて説明する。図１は本発明の３ローラベルト定着装置を模式的に示した断面側面図である。図１において、１は加熱ローラ、２は耐熱定着ベルト、３は定着ローラ、４は加圧ローラ、５はヒータ、６はニップ部、７は記録紙である。図中の小文字のアルファベットは耐熱定着ベルトの定着装置におけるポジションを示す。表面に離型層を有する耐熱定着ベルト２は加熱ローラ１と厚い弾性層を有する定着ローラ３に張架され、加熱ローラ１に加熱される。定着ローラ３に加圧ローラ４を圧接させてニップ部６を形成し、耐熱定着ベルト２をニップ部に回動させ、ニップ部にトナーが付着している記録紙７を通過させ、加圧及び加熱し定着する。

この耐熱定着ベルト２の厚さは、ベルト材料の有効熱拡散率と巻きかけ時間との積の平方根で定まる厚さ以下に形成されている。なお、有効熱拡散率とは、複合した材料からなる部材（例えば、積層材料からなる耐熱定着ベルトなどがこれにあたる）をあたかも一つの材料からできているとみなした場合の熱拡散率のことを言う。本明細書では、部材が単一の材料からできている場合も含めて有効熱拡散率と表現する。単一の材料からできている場合では、有効熱拡散率は熱拡散率と等しい。

有効熱拡散率の算出方法の一例を、図２に詳述する。本説明では，２つの物質を１つの物質にみなした物を有効物質と呼ぶことにする。

まず有効熱伝導率の導出について説明する。各物質の定常状態での熱伝導方程式は
で示され，有効物質の定常状態での熱伝導方程式は
で示される。これらの式中での記号は、以下の通りである。なお、図中で符号に付したＡ、Ｂは物質Ａ、物質Ｂを示す。
ρ：密度
Ｃｐ：比熱
λ：熱伝導率
ａ：熱拡散率
ｌ：距離（厚さ）
Ｔ：温度
ΔＴ：温度上昇
ｑ・：熱流束
Ｑ：熱量
ｄ：奥行き長
沿字は、
Ａ：物質Ａ
Ｂ：物質Ｂ
Ｅ：有効
Ｈ：高
Ｍ：中
Ｌ：低
そして、有効熱伝導率λＥは前記式１〜３により導出でき、次式で示される。

次に有効熱容量（ρ_Ｅ・Ｃ_ｐＥ）の導出について説明する。なお、物質Ａ、物質ＢにＱＡ、ＱＢを加え、両物質ともΔＴだけ温度上昇したものとする。
有効熱容量ρ_Ｅ・Ｃ_ｐＥ）は数式５〜７により導出でき、次式で示される。

さらに、有効熱拡散率（ａ_Ｅ）の導出について説明する。一般に熱拡散率と、熱伝導率および熱容量の関係は次式で示される。
したがって，有効熱拡散率は次式で示される。
すなわち、数式１０に数式４および数式８を代入すれば、有効熱拡散率は次式で示される。

具体的には、定着ローラ３と加圧ローラ４で形成されたニップ部６での定着を終え、加熱ローラ１に戻ってくる耐熱定着ベルト２の温度は記録紙７の位置に応じた分布がついている。即ち、耐熱定着ベルト２の定着時に記録紙７と接した部分は低温になっており、それ以外の部分は高温になっている。加熱ローラ１に巻き掛けられた間に耐熱定着ベルト２の裏面側が加熱されその熱が表面まで伝導すると耐熱定着ベルト２の表面の温度が上昇し始める。特に記録紙７と接して低温になった部分の耐熱定着ベルト２内部の温度分布が、加熱ローラ１の巻き掛け部を通過し終わる時に、記録紙７と接しない部分と等しくなるまで上昇していれば、耐熱定着ベルト２の紙幅方向への温度分布は均一となる。

もし記録紙７と接した部分と接しない部分とで差があれば、記録紙７を何枚か定着する間にその差は次第に拡大して、耐熱定着ベルト２の紙幅方向への温度分布がある値となった時に拡大は止まり、その時点での温度分布がついたまま印刷が継続されることになる。位置的、時間的に安定な定着品質を得るには、この温度分布の時間的拡大と一定となったときの絶対的な温度分布（位置的温度差）が少ないことが望まれる。これを達成するには、少なくとも巻きかけ時間中に加熱ローラ１の芯金から供給された熱が耐熱定着ベルト２の表面に達することが必要条件となる。これは、ベルト材料の有効熱拡散率と巻きかけ時間との積の平方根で定まる厚さ以下に形成されることにより満たされるのである。

また、この効果は、耐熱定着ベルト２の巻き掛け時間を耐熱定着ベルト２の次式に示す熱浸透時間より長く設定しても同様である。式中でａを耐熱定着ベルトの有効熱拡散率、ｌを耐熱定着ベルトの厚さ、ｔを巻き掛け時間とすると、熱浸透時間は次式のように示される。
ｔ＝ｌ^２／ａ
伝熱工学上では、熱浸透厚さｌを（１２ａｔ）^０．５とされている。その際、熱浸透時間ｔはｌ^２／１２ａとなる、本発明では熱浸透厚さｌを（ａｔ）^０．５と考えて、式を導出している。これは、既述の特許第２９０９４９９号に開示されているように、電子写真の定着では実用的には熱浸透厚さを（ａｔ）^０．５と考えるのが妥当であるという経験的知見に基づく。

このように、耐熱定着ベルト２に大きな熱量を供給すると、加熱ローラ１の芯金の温度が低下するが、芯金の厚さを最適に設定することによりその温度変動を最小にすることができる。芯金は加熱ローラ１の巻き掛け部を過ぎた直後から巻き掛け部に至るまでに、元の温度に復帰している必要がある。そのためには、加熱ローラ１の芯金の厚さは芯金材料の有効熱拡散率と一回転周期から巻きかけ時間を差し引いた時間との積の平方根で定まる厚さより厚く設定することが必要条件となる。すなわち、加熱ローラ１の外面から芯金材料の有効熱拡散率と一回転周期から巻きかけ時間を差し引いた時間との積の平方根で定まる厚さまでの部分は耐熱定着ベルト２への熱供給により変動する部分（熱伝導部分）である。それより、厚い部分は蓄熱部として機能でき、蓄熱部を形成させることにより熱伝導部分に安定的に熱を供給することが可能になるのである。

以上のべた、本発明の３ローラベルト定着装置は耐熱定着ベルト２の厚さをベルト材料の有効熱拡散率と耐熱定着ベルト２の巻きかけ時間との積の平方根で定まる厚さ以下に形成したので、巻きかけ時間中に加熱ローラ１の芯金から供給された熱が耐熱定着ベルト２の表面に達するようになり、温度分布の時間的拡大と絶対的な温度分布（位置的温度差）を少なくできるので、定着不良がなく、位置的、時間的に安定な定着品質を得ることができる。

さらに、本発明の３ローラベルト定着装置は加熱ローラ１の芯金の厚さを芯金材料の有効熱拡散率と一回転周期から巻きかけ時間を差し引いた時間との積の平方根で定まる厚さより厚くしたので、芯金に蓄熱部が形成され芯金の温度変動を最小にすることができ、定着不良が無いことはもちろんであるが、位置的、時間的により安定な定着品質を得ることができる。

本発明の３ローラベルト定着装置、これを用いた電子写真記録装置では、信頼性の高い熱量投下ができるので、従来適用が困難であった高速な印刷にも適用できるようになる。

本発明の３ローラベルト定着装置を模式的に示した断面側面図 有効熱拡散率の算出方法の一例を説明する図

符号の説明

１…加熱ローラ
２…耐熱定着ベルト
３…定着ローラ
４…加圧ローラ
５…ヒータ
６…ニップ部
７…記録媒体

Claims (2)

1. 少なくとも加熱ローラ、耐熱定着ベルト、定着ローラ、加圧ローラとからなり、該耐熱定着ベルトを該加熱ローラと該定着ローラに張架し、該耐熱定着ベルトを該加熱ローラで加熱し、該加圧ローラを前記耐熱定着ベルトと前記定着ローラに圧接させて挟持部を形成し、該挟持部にトナーを有する記録媒体を挿通させて前記トナーを該記録媒体に定着させる定着装置を設計する設計方法であって、
   前記耐熱定着ベルト材料の有効熱拡散率と、前記挟持部で記録媒体と接触した前記耐熱定着ベルト表面上の一部分が該耐熱定着ベルトの前記加熱ローラへの巻きかけ部分を通過する時間との積の平方根の値を得る工程と、
   前記平方根の値で定まる厚さ以下に前記耐熱定着ベルトの厚さを定める工程と、
   からなることを特徴とする定着装置の設計方法。
2. 少なくとも、トナー像を記録体上に作像する作像装置と該記録体上に作像された未定着のトナー像を定着する定着装置とからなる電子写真記録装置の設計方法であって、
   前記定着装置が、少なくとも加熱ローラ、耐熱定着ベルト、定着ローラ、加圧ローラとからなり、該耐熱定着ベルトを該加熱ローラと該定着ローラに張架し、該耐熱定着ベルトを該加熱ローラで加熱し、該加圧ローラを前記耐熱定着ベルトと前記定着ローラに圧接させて挟持部を形成し、該挟持部にトナーを有する記録媒体を挿通させて前記トナーを該記録媒体に定着させるものであって、
   該定着装置の設計方法が、
   前記耐熱定着ベルト材料の有効熱拡散率と、前記挟持部で記録媒体と接触した前記耐熱定着ベルト表面上の一部分が該耐熱定着ベルトの前記加熱ローラへの巻きかけ部分を通過する時間との積の平方根の値を得る工程と、
   前記平方根の値で定まる厚さ以下に前記耐熱定着ベルトの厚さを定める工程と、
   からなることを特徴とする電子写真記録装置の設計方法。