JP5748444B2

JP5748444B2 - 画像形成装置

Info

Publication number: JP5748444B2
Application number: JP2010227551A
Authority: JP
Inventors: 三井　裕二; 裕二三井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-10-07
Filing date: 2010-10-07
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2030-10-07
Also published as: JP2012083419A

Description

本発明は、電子写真記録方式を用いた複写機やプリンタ等の画像形成装置に関する。

電子写真記録方式を用いた画像形成装置では、トナーが定着器でオフセットする現象に対処するため、離型ワックスを内包しているトナーを用いる装置がある。離型ワックスをトナーに内包させることにより、加熱定着時に溶融トナーと定着ローラとの界面に離型ワックスが移行し、定着ローラ側への溶融トナーの泣き別れを防止して耐オフセット性能の向上を図っている。

しかしながら、トナーに内包されている離型ワックスは加熱定着時に液化し、その一部は昇華し気体となる。気化した後に直ちに冷やされたワックス成分は、再び固化して機内を流れる風に乗って移動する。そして、固化したワックス成分が、通紙することで温度が上昇した機内の各個所で再度液化して、付着してしまう現象があった。機内において温度が高くなりやすいのは、記録材が接触する個所である。つまり、記録材の搬送ガイドや搬送ローラにワックス成分が付着しやすい傾向にあった。記録材の搬送ガイドや搬送ローラにワックス成分が付着した場合、記録材の搬送の妨げになったり、ローラの摩擦係数を低下させてしまう等につながるため、機内を流れる風の方向をコントロールするなど、特別な対応が必要であった。

また、近年ユーザは大小さまざまなサイズの記録材を使用する傾向にある。特に小サイズの封筒、ハガキサイズなどは広く使用されている。しかしながら、小サイズ記録材を連続的に通紙して定着を実行させた場合、定着ローラ側の非通紙領域の表面温度が過度に上昇し、装置内の部品にダメージを与えることがある。この現象に対処するため、特許文献１では定着ローラ端部に冷却用のファンを設けた技術が提案されている。

特開２００８−３２９０４号

最近、レーザービームプリンタは、高速化・小型化・メディアフレキシビリティーの要求が非常に高くなってきている。画像形成をより高速でかつ定着性を満足させるには、これまで以上に高い熱エネルギーと加圧力を必要とする。もし、高速化の要求を加圧力の増加だけで実現しようとすると、その加圧力に耐え得る構造体が必要になるため、小型化の要求が十分に満足されない可能性がある。

小型化を満足するために、記録材に与える熱エネルギーを高める方法として、加熱する時間を長くする方法と加熱温度を高くする方法が考えられる。しかしどちらも記録材上のトナーに与える熱エネルギーは増加する。トナーに与える熱エネルギー増加に伴い、離型ワックスが気化する量も増加することになる。

この気化成分を捕集する部材を定着器内部に設けることも考えられるが、非通紙部冷却用のファンも取り付ける場合、冷却風が捕集部材に影響を与え、捕集部材による気化成分の捕集能力が低下してしまうことが懸念される。

上述の課題を解決するための本発明は、離型ワックスを含有するトナーを用いて形成されたトナー像を記録材に加熱定着するための回転体と、前記回転体と共に記録材を挟持搬送する定着ニップ部を形成する定着ニップ部形成部材と、装置に使用可能な最大幅の記録材よりも小さな幅の記録材が接触しない前記回転体の端部領域を冷却する冷却部材と、を有する定着装置において、前記定着ニップ部で前記トナーを加熱することによって発生する前記離型ワックスの気化成分を捕集する捕集部材を有し、前記捕集部材は、前記回転体からの熱で加熱されることにより前記気化成分が触れると前記気化成分が液相状態となる温度となることで、前記気化成分をぬれにより捕集するものであり、前記捕集部材は、前記定着ニップ部よりも前記回転体の回転方向下流側の前記回転体の曲面領域に対向するように配置されており、前記冷却部材は、前記回転方向に関し、前記回転体の前記捕集部材が対向する領域よりも更に下流側の領域において前記端部領域を冷却することを特徴とする。

本発明によれば、捕集部材加熱領域よりも回転方向下流側に冷却手段を配置することで、捕集部材に与える影響を抑えられ、捕集部材の気化成分捕集能力の低下を抑えることができる。

画像形成装置の断面図。定着ユニットの断面図。定着ユニットの構造を示した斜視図。定着ユニットの内部上面図。実施例２の定着ユニットの構造を示した斜視図。実施例２の定着ユニットの断面図。離型ワックスの融点及び昇華点の測定図。

（実施例１）
まず、画像形成装置の全体構成について、図１を用いて概要説明する。図１に示す画像形成装置は、最下段に給紙手段８０を配置している。給紙手段８０の上部に、記録材Ｐの先端を合わせ搬送するレジストローラユニット５０を配置している。また、給紙手段８０の上方に感光体に静電潜像を形成するレーザスキャナーユニット３０を備えている。レーザスキャナーユニット３０の直上にスキャナーフレーム３１が配置され、レーザスキャナーユニット３０は、スキャナーフレーム３１に固定されている。プロセスカートリッジガイド３２（３２Ｙ、３２Ｍ、３２Ｃ、３２Ｂｋ）は、スキャナーフレーム３１上に配置されている。スキャナーフレーム３１の上方には４色のプロセスカートリッジ１０（１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｂｋ）を配置している。プロセスカートリッジ１０（１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｂｋ）上方にプロセスカートリッジ１０（１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｂｋ）に対向するように、中間転写ユニット４０が配置されている。中間転写ユニット４０は中間転写ベルト４１を備え、中間転写ベルト４１の内側に１次転写ローラ４２（４２Ｙ、４２Ｍ、４２Ｃ、４２Ｂｋ）、駆動ローラ４３、２次転写対向ローラ４４、テンションローラ４５、クリーニング手段４６を備えている。中間転写ユニット４０の右側には２次転写ユニット９０が配置されている。２次転写ユニット９０には、２次転写対向ローラ４４に対向するように、２次転写ローラ９１が備えられている。中間転写ユニット４０及び２次転写ユニット９０の上部に定着ユニット２０を配置している。定着ユニット２０の左上部には排紙ユニット６０を配置している。排紙ユニット６０は、排紙ローラ対６１（６１ａ、６１ｂ）及び両面搬送部６２、反転ローラ対６３（６３ａ，６３ｂ）と分岐手段である両面フラッパ６４を備えている。なお、各プロセスカートリッジは、感光体ドラム１１（１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１Ｂｋ）を備えており、感光体ドラム１１（１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１Ｂｋ）の周囲には、帯電ローラ１２（１２Ｙ、１２Ｍ、１２Ｃ、１２Ｂｋ）、現像装置１４（１４Ｙ、１４Ｍ、１４Ｃ、１４Ｂｋ）、クリーニング装置１６（１６Ｙ、１６Ｍ、１６Ｃ、１６Ｂｋ）が配置されている。画像形成プロセスは周知なので説明は割愛する。

次に画像形成装置の定着ユニット２０の詳細な構成を図２、図３に基づいて説明する。図２は定着ユニット２０の断面図、図３は定着ユニット２０内部の構造を示した斜視図である。

定着ユニット２０において、１０１は加熱ユニット、１０２は加圧ローラ（定着ニップ部形成部材）である。加熱ユニット１０１はヒータ１０３を有する。このヒータ１０３は支持部材としてのヒータホルダ１０４に支持されている。ヒータホルダ１０４は液晶ポリマー等の、耐熱性と摺動性を具備した耐熱性樹脂により断面略半円形樋型に形成されている。ヒータホルダ１０４には、スリーブ状の定着スリーブ１０５が外装されている。定着スリーブ１０５は、加圧ローラ１０２とほぼ同じ周長さを有するエンドレスの形態をなし、両端部は一対のスリーブフランジ１０６の外周に回転可能に保持されている。また、ヒータホルダ１０４の両端部もスリーブフランジ１０６に保持されている。そして、この一対のスリーブフランジ１０６を側板対１０７に支持させている。ヒータホルダ１０４に支持されたヒータ１０３と対向させるように定着スリーブ１０５に加圧ローラ１０２を所定の押圧力Ｔをもって圧接させている。これによって定着スリーブ１０５を介してヒータ１０３と加圧ローラ１０２との間に記録材を挟持搬送しつつトナー像を記録材に加熱定着する定着ニップ部Ｎを形成している。

捕集部材１３０が定着ニップ部でワックスから気化した成分を捕集する原理は次のとおりである。定着ニップ部で加熱されて気化したワックス成分は、気化後直ちに冷やされ再度固化する。本実施例に用いているトナーに内包されている離型ワックスの融点Ｔｍは、７６．０８℃、昇華点Ｔｓは１４０℃であるため、離型ワックスは７６．０８〜１４０℃の領域において液相状態となる。液相状態時、捕集部材１３０に対して「ぬれ」が起こり、離型ワックスと捕集部材との間に分子間力が働くことで離型ワックスの吸着が可能となる。つまり、捕集部材の温度を融点Ｔｍ以上にして、気化後再固化したワックス成分を再度液相状態にすることで、捕集部材で離型ワックスを捕集することができるのである。捕集部材の温度が融点Ｔｍ以下だと、離型ワックスは固相状態となり、捕集部材に対して「ぬれ」が起こらない。離型ワックスと捕集部材との間に働く分子間力が非常に小さいため、離型ワックスを捕集部材に吸着させることができない。また、捕集部材の温度が昇華点Ｔｓを超えてしまうと、捕集した離型ワックスが捕集部材から再び昇華してしまう。以上の理由から、捕集部材の温度を同じ領域（７６．０８〜１４０℃）に保つことで、定着ニップ部で加熱されて昇華した後に固化した離型ワックスを、捕集部材で再度液化させて吸着させることができるのである。また、１枚印刷を間欠で行う場合等の少数枚印刷時においても安定して離型ワックスを捕集するためには、プリント信号が入力された後に捕集部材を急速に昇温させ、記録材Ｐの先端がニップ部Ｎに到達するまでに捕集部材の温度を離型ワックスの融点Ｔｍに到達させておくのが好ましい。記録材Ｐの先端がニップ部Ｎに到達するまでに捕集部材の温度を離型ワックスの融点Ｔｍに到達させておくことで、いかなる通紙モードにおいても、安定して離型ワックスを捕集部材に吸着させることが可能となる。

ここで、トナーに内包された離型ワックスの融点、及び昇華点に関して、図７を用いて説明する。離型ワックスの最大吸熱ピークのピーク温度は、示差走査熱量分析（ＤＳＣ：ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＳｃａｎｎｉｎｇＣａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ）装置「Ｑ１０００」（ＴＡＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ社製）を用いてＡＳＴＭ（ＡｍｅｒｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＴｅｓｔｉｎｇａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ）Ｄ３４１８−８２に準じて測定する。装置検出部の温度補正はインジウムと亜鉛の融点を用い、熱量の補正についてはインジウムの融解熱を用いる。具体的には、トナー約１０ｍｇを精秤（ｐｒｅｃｉｓｅｌｙｗｅｉｇｈｅｄ）し、これをアルミニウム製のパンの中に入れ、リファレンスとして空のアルミニウム製のパンを用い、測定温度範囲３０〜２００℃の間で、昇温速度１℃／ｍｉｎで測定を行う。尚、測定においては、一度２００℃まで昇温させ、続いて３０℃まで降温し、その後に再度昇温を行う。この２度目の昇温過程での温度３０〜２００℃の範囲におけるＤＳＣ曲線の最大の吸熱ピークを、離型ワックスのＤＳＣ測定における吸熱曲線の最大吸熱ピークとし、この温度を融点（Ｔｍ）と定義する。

離型ワックスの昇華点は、パーティクルカウンター「Ｈａｎｄｈｅｌｄ３０１６」（Ｌｉｇｈｔｈｏｕｓｅ社製）を用いて測定する。具体的には、３０ｃｍ×３０ｃｍ×３０ｃｍの箱で密閉された空間で、精秤した「離型ワックスを含有するトナー」１０ｍｇを昇温させて測定を行う。この測定において、パーティクルカウンターでカウントが開始する温度を昇華点（Ｔｓ）と定義する。すなわち、「離型ワックスから最初に気化した成分」がパーティクルカウンターで検出された時の温度を離型ワックスの昇華点と定義する。なお、本実施例で用いている離型ワックスの融点Ｔｍは７６．０８℃（図７のａ）、昇華点Ｔｓは１４０℃（図７のｂ）である。

捕集部材１３０は、プリントを開始したら素早くトナーに含まれる離型ワックスの融点以上の温度まで昇温させるために、取り付け対象物（本例では後述するように上カバー１１１）との間のほとんどを空気層で断熱し低熱容量化している。空気層で断熱するため、取り付け対象物に対して複数本の脚で浮かした構造となっている。また、捕集部材はヒータ１０３に暖められた直後の定着スリーブ１０５近傍の、定着ニップ部Ｎからみて、定着スリーブ１０５回転方向に対して直下流部に配置されている。また定着スリーブ１０５から３ｍｍ程度離されて保持されている。さらに、捕集部材１３０は非常に小さい熱容量となるように、厚さ１ｍｍのガラス入りＰＢＴ（ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔａｌａｔｅ）で製造されている。保持先に関しては、捕集部材１３０からの熱を奪わないように、接触する固定箇所を極力小さくして保持されている。図２に示すように、捕集部材１３０は上カバー１１１に保持されているが、図２の示すステー１０８、ダクト１４１、または図３に示す側板対１０７に保持されていてもかまわない。

ここで、ダクト１４１が捕集部材１３０を一体的に保持できれば、部品点数の削減によるコストダウン、定着ユニット２０の小型化が可能になる。さらに、部品公差、ダクト１４１と捕集部材１３０の温度変化に伴う変形による干渉マージンを考える必要が無くなる為、捕集部材１３０の面積をより大きく設定することができる。例えば、ダクト１４１と捕集部材１３０をそれぞれ熱変形しやすい樹脂部品で構成した場合、ダクト１４１と捕集部材１３０のクリアランスは３〜６ｍｍ程度必要になる。そのクリランス分、捕集部材１３０を大きくすることができる。

冷却ファン１４０は、定着スリーブ１０５の端部を冷却するように取り付いており、より冷却効果を高めるためにダクト１４１を有する。ダクト１４１は、定着スリーブ１０５に接近して配置されており、定着スリーブ１０５に接触しない程度、ここでは１〜２ｍｍ程度離されている。ダクト１４１の長さは少なくとも、図４に示すように、定着スリーブ１０５の端部から画像形成装置通紙可能な最小幅の記録材の端部位置まで配置されている。ダクト１４１は、定着ニップ部Ｎからみて、定着スリーブ１０５回転方向に対して捕集部材１３０のさらに下流に配置されている。

加熱ユニット１０１と加圧ローラ１０２は、側板対１０７、ステー１０８、ベース板１０９で囲われており、全て板金部材である。これら３部品は定着ユニット２０を構成するフレームで、定着ユニット２０の剛性を確保している。側板対１０７、ステー１０８、ベース板１０９は、後ろカバー１１０、上カバー１１１、前下カバー１１２、左右カバー１１７で囲われており、ユーザーが外側から、側板対１０７、ステー１０８、ベース板１０９に触れることが出来ない構成になっている。

次に、冷却ファン１４０による定着スリーブ１０５の冷却について説明する。定着スリーブ１０５を冷却する空気の流れは、図３の矢印で示すように冷却ファン１４０によって左右カバー１１７のルーバー形状から外気を定着ユニット２０内に取り込む。取り込まれた空気は、定着スリーブ１０５及びダクト１４１に囲まれた空間を流れる。その際に、定着スリーブ１０５端部を冷却する。定着スリーブ１０５端部を冷却することによって温まった空気は、前下カバー１１２のルーバー形状から定着ユニット２０外に排気される。定着ユニット２０外に排気された温かい空気は不図示の排気ダクト形状によって画像形成装置外に排気される。

上述した通り、捕集部材１３０は非常に小さい熱容量で作られている為に、温度変化に敏感である。捕集部材１３０の温度を安定させるためには、捕集部材１３０周りの雰囲気温度を乱さない必要がある。ダクト１４１を、定着ニップ部Ｎからみて、定着スリーブ１０５回転方向に対して捕集部材１３０のさらに下流に配置することによって、冷却ファン１４０によって強制的に流れている空気を、捕集部材１３０に対して積極的に接触しないようにし、さらに捕集部材１３０周りの雰囲気温度を乱さないので温度変化は少なくできる。これにより、冷却風による捕集部材１３０の温度低下を抑えられるので、捕集部材の気化成分捕集能力低下を抑えることができる。

制御手段としてのヒータ駆動制御回路は、給電装置と、これを制御するＣＰＵ等を備えている。このヒータ駆動制御回路はＣＰＵがプリント信号を入力して給電装置をオン・オフ制御することにより、ヒータ１０３の発熱抵抗体を通電加熱する。発熱抵抗体の通電加熱によりヒータ１０３が急速昇温する。このヒータ１０３の温度がヒータ１０３の裏面（ニップ部Ｎと反対側の面）に設けられた温度検知手段としてのサーミスタ（不図示）の検知温度に基づいてヒータ１０３を所定の目標設定温度に温調制御し、定着スリーブ１０５をその温度に加熱する。本実施例の設定温度は１８０℃である。

次に記録材Ｐの定着動作を説明する。まず記録材Ｐの幅が、画像形成装置に使用可能な最大幅付近の場合を説明する。記録材Ｐは、中間転写ユニット４０と２次転写ユニット９０によって、トナー像（未定着）を転写され搬送される。搬送された記録材Ｐは、定着ユニット２０に送られ、温まった定着スリーブ１０５と加圧ローラ１０２によって、トナー像を定着され排紙ユニット６０に搬送される。その際、定着スリーブ１０５のニップ部のほぼ全幅から記録材Ｐによって熱を奪われるために、定着スリーブ１０５の端部領域を冷却する必要がない。その為冷却ファン１４０は動作しない。一方捕集部材１３０は、ヒータ１０３によって温められた定着スリーブ１０５によって急速昇温し、離型ワックスの融点に到達する。それにより、定着スリーブ１０５と加圧ローラ１０２によって加熱されて昇華した後に固化した離型ワックスを再度液化させて吸着可能になる。

次に、記録材Ｐの幅が、画像形成装置に使用可能な最小幅付近の場合を説明する。記録材Ｐは、定着ユニット２０に突入し定着され排紙ユニット６０に搬送される。ここで、数枚程度の印字枚数では、定着スリーブ１０５の端部の温度上昇は緩やかな為、冷却ファン１４０は動作しない。しかし、１０枚以上の連続印字の場合では、定着スリーブ１０５の記録材Ｐと接する部分は記録材Ｐによって連続して熱を奪われるため、不図示のサーミスタによってヒータ１０３は発熱し続ける。それにより、記録材Ｐにより熱を奪われない定着スリーブ１０５の端部領域は、温度上昇する。そこで、冷却ファン１４０が作動し、定着スリーブ１０５の端部領域に送風して冷却し定着スリーブ１０５全域の温度分布が均一になる。定着スリーブ１０５の端部は、冷却ファン１４０の回転数を制御することによって、３０℃から５０℃程度冷却できる。一方捕集部材１３０は、画像形成装置通紙可能な最大幅付近の印字と同様にヒータ１０３によって温められた定着スリーブ１０５によって急速昇温し、離型ワックスの融点に到達する。それにより、定着スリーブ１０５、加圧ローラ１０２対によって加熱されて昇華した後に固化した離型ワックスを再度液化させて吸着可能になる。

（実施例２）
図５に実施例２の定着ユニット２２０の内部の斜視図、図６に実施例２の定着ユニット２２０の断面図を示す。実施例１と同じ部分の説明は割愛する。図５に示すように、冷却ファン１４０を画像形成装置内の空気を排気する方向に取り付いている。

冷却ファン１４０による定着スリーブ１０５の冷却について説明する。定着スリーブ１０５を冷却する空気の流れは、図５の矢印に示すように冷却ファン１４０によって定着スリーブ１０５及び、ダクト１４１に囲まれた空間の温かい空気を定着ユニット２０外に排出する。排気動作によって、左右カバー１１７のルーバー形状から外気の冷気を定着ユニット２０内に取り込む。これにより定着スリーブ１０５を冷却することができる。

このとき図６に示すように、ダクト１４１と定着スリーブ１０５間の１〜２ｍｍ程度の隙間Ｓから、捕集部材１３０からダクト１４１方向の矢印方向に空気が微小に流れる。これにより、外気の冷たい空気は捕集部材１３０に当たらず、捕集部材１３０周りの雰囲気温度を乱さない。これにより捕集部材１３０の温度変化を非常に小さくできる。

以上のように、実施例１及び２では、離型ワックスの融点と離型ワックスの昇華点の間の温度に保たれ、定着ニップ部でトナーを加熱することによって発生する離型ワックスの気化成分を捕集する捕集部材を有し、定着ニップ部よりも回転体回転方向下流側の回転体の領域が捕集部材を加熱する捕集部材加熱領域となっており、捕集部材加熱領域よりも回転方向下流側が冷却部材によって冷却される冷却領域となっている。これにより、離型ワックスの融点と昇華点の間の温度に保つ捕集部材を設けるという簡単な構成で気化成分を捕集でき、且つ、捕集部材加熱領域よりも回転方向下流側に冷却手段を配置することで、捕集部材に与える影響を抑えられ、捕集部材の気化成分捕集能力の低下を抑えることができる。

１０１加熱ユニット
１０３ヒータ
１０５定着スリーブ
１３０捕集部材
１４０冷却ファン
１４１ダクト

Claims

離型ワックスを含有するトナーを用いて形成されたトナー像を記録材に加熱定着するための回転体と、前記回転体と共に記録材を挟持搬送する定着ニップ部を形成する定着ニップ部形成部材と、装置に使用可能な最大幅の記録材よりも小さな幅の記録材が接触しない前記回転体の端部領域を冷却する冷却部材と、を有する定着装置において、
前記定着ニップ部で前記トナーを加熱することによって発生する前記離型ワックスの気化成分を捕集する捕集部材を有し、前記捕集部材は、前記回転体からの熱で加熱されることにより前記気化成分が触れると前記気化成分が液相状態となる温度となることで、前記気化成分をぬれにより捕集するものであり、
前記捕集部材は、前記定着ニップ部よりも前記回転体の回転方向下流側の前記回転体の曲面領域に対向するように配置されており、
前記冷却部材は、前記回転方向に関し、前記回転体の前記捕集部材が対向する領域よりも更に下流側の領域において前記端部領域を冷却することを特徴とする定着装置。
前記冷却手段は、冷却ファンと前記冷却ファンの送風を前記回転体に導くためのダクトを有し、前記ダクトと前記捕集部材は一体的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
前記捕集部材は、前記回転体と前記定着ニップ部形成部材とを囲う金属製のステー、又は前記ステーを囲うカバーとの間に空気層が介在するように、前記ステー又は前記カバーに対して複数本の脚で浮かして取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
前記冷却部材は、冷却ファンと前記冷却ファンによって生じる風を案内するダクトを有し、前記ダクトは前記冷却ファンから前記回転体の表面近傍まで設けられており、前記回転体の表面と前記ダクトによって囲まれた空間の空気を定着装置外に排出するように、前記冷却ファンは前記ダクトから前記定着装置外に向って風を送るように回転することを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載の定着装置。
前記回転体は、その内面に接触し前記回転体を介して前記定着ニップ部形成部材と共に前記定着ニップ部を形成するヒータにより加熱されることを特徴とする請求項１〜４いずれか一項に記載の定着装置。