JP5953847B2 - 定着装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、加圧方式の定着装置および画像形成装置に関する。

従来、電子写真方式を利用した画像形成装置が知られている。その画像形成プロセスは、像担持体である感光ドラムの表面に静電潜像を形成し、感光ドラム上の静電潜像を現像剤であるトナー等によって現像して可視像化し、現像された画像を転写装置により記録紙に転写して画像を担持させ、圧力や熱等を用いる定着装置によって記録紙上のトナー画像を定着する過程により成立している。
定着装置には、対向するローラもしくはベルトもしくはそれらの組み合わせにより構成された定着回転体が配置されており、記録紙を挟みこみ、熱および圧力を加え、上記トナー像を記録紙上に定着する。

従来のベルト定着方式の定着装置（図７）において、熱源体である加熱ヒータ１００ｆを有した加熱ローラ１００ｄと表層にゴム層が設けられた定着ローラ１００ｂを内包した定着ベルト（定着体）１００ｊと定着ベルトに当接する加圧ローラ（加圧体）１００ａが定着回転体である。定着装置に到達したトナー転写済みの記録紙は、定着ベルトと加圧ローラのニップに入り、記録紙が定着ニップを通過する過程で、転写されたトナー像が加熱および加圧され定着する。
上述したように、画像形成装置に用いられる定着装置においては、回転体の内面に摺接する固定部材を有している定着装置がある。

特許文献１には、フィルム加熱方式の定着装置（図８）が開示されている。
一般に、発熱体としてのセラミックヒータ２００ｆと、加圧部材としての加圧ローラ２００ａとの間に耐熱性フィルム（定着フィルム）を挟ませて定着ニップ部を形成させ、定着ニップ部のフィルムと加圧ローラとの間に画像定着すべき未定着トナー画像を形成担持させた被記録材を導入して、フィルムと一緒に挟持搬送させる。これにより、ニップ部においてセラミックヒータの熱がフィルムを介して被記録材に与えられ、また、定着ニップ部の加圧力にて未定着トナー画像を被記録材面に熱圧定着させるものである。

このフィルム加熱方式の定着装置は、セラミックヒータ２００ｆ及びフィルムとして低熱容量の部材を用いてオンデマンドタイプの装置を構成することができるとともに、画像形成装置の画像形成実行時のみ熱源としてのセラミックヒータに通電して所定の定着温度に発熱させた状態にすればよい。これにより、画像形成装置の電源オンから画像形成実行可能状態までの待ち時間が短く（クイックスタート性）、スタンバイ時の消費電力も大幅に小さい（省電力）等の利点がある。

特許文献２には、ベルトニップ方式の画像定着装置が開示されている。特許文献２には、表面が弾性変形する回転可能な加熱定着ロールと、加熱定着ロールに接触したまま走行可能なエンドレスベルトと、エンドレスベルトの内側に非回転状態で配置されて、エンドレスベルトを加熱定着ロールに圧接させ、エンドレスベルトと加熱定着ロールとの間に記録紙が通過させられるベルトニップを設けると共に、加熱定着ロールの表面を弾性変形させる加圧パッドとを具備している。
この定着方式によれば、下のロールをベルトにし、用紙とロールの接触面積を広げることで熱伝導効率を大幅に向上させ、エネルギー消費を抑制すると同時に小型化を実現することが可能となる。

しかし、特許文献１に記載されている定着装置の課題として、耐久性の問題と、ベルト温度安定性の問題があった。
すなわち、熱源であるセラミックヒータとベルト内面の摺動による耐磨耗性が不十分であり、長時間運転すると連続摩擦を繰り返す面が荒れて摩擦抵抗が増大し、ベルトの走行が不安定になる、もしくは、定着装置の駆動トルクが増大する等の現象が生じるといった問題があった。（課題（１））
その結果、画像を形成する転写紙のスリップが生じ画像のずれが生じる、または、駆動ギヤに係る応力が増大し、ギヤの破損を引き起こすという、不具合が発生する。

また、特許文献１に開示されたフィルム加熱方式の定着装置では、ベルトをニップ部で局所的に加熱しているため、回転するベルトがニップ入り口に戻ってくる際に、ベルト温度は最も冷えた状態になり、特に高速回転を行うと定着不良が出易いといった問題があった。（課題（２））

一方、ベルト内面と固定部材の摺動性の問題を改善する手段として、特許文献２では、圧力パッドの表層に低摩擦シート（シート状摺動材）としてＰＴＦＥを含浸させたガラス繊維シート（ＰＴＦＥ含浸ガラスクロス）を用いる方法が開示されている。この方法によれば、摺動性が向上することが示されている。

特許文献３には、加圧ベルト方式の定着装置が開示されている。しかし、特許文献３では、定着ローラの熱容量が大きく、昇温が遅いため、ウォームアップにかかる時間が長いといった問題があった。（課題（３））
そこで、特許文献４には、上述課題（１）〜（３）を同時に解決する手段が提案されている。

特許文献４には、定着装置を構成する無端ベルト全体を温めることを可能にし、加熱待機時からのファーストプリントタイムを短縮することができ、かつ高速回転時の熱量不足を解消する目的の技術が開示されている。
特許文献４では、無端ベルトの内部にパイプ状の金属熱伝導体を、無端ベルトの移動をガイドすることが可能に固定する。金属熱伝導体内の熱源により金属熱伝導体を介して無端ベルトを加熱する。さらに無端ベルトを介して金属熱伝導体に接してニップ部Ｎを形成する加圧ローラを備え、該加圧ローラの回転に連れ回りするようにして無端ベルトを周方向に移動させる。

上述した加圧ステーおよび金属パイプにあっては、加圧ステーは加圧ローラからの圧力を受けてニップを形成するニップ形成部材を保持するものであり、均一なニップを得るために高強度かつ高精度が求められる。
しかしながら、高強度を得るためにはステーの質量を増やさざるを得ないが、熱源も同時に金属パイプ内に配置されているので、定着装置としては熱源配置のスペースおよび高い加熱効率も達成する必要がある。

そこで、熱源配置のスペースおよび高い加熱効率も達成することが可能な構成が切望されている。
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、金属パイプの加熱効率を周方向の領域・軸方向の領域に任意に設定した定着装置を提供することにある。

本発明は、装置内に可撓性を有する無端状の定着部材とその内摺面に近接させた金属体からなるパイプ状の金属パイプと、定着部材に直接もしくは摺動シートを介して接する金属パイプに保持されたニップ形成部材と、前記ニップ形成部材に、モータなどの駆動源による回転を伝達し、前記定着部材を回転させるための加圧体と、前記金属パイプ内の下側に配置された熱源と、金属パイプ内に配置され前記金属パイプの断面形状を保持する役割を持ち、且つ前記ニップ形成部材を介して前記加圧体からの加圧力を受ける加圧ステーを保持するフランジと、を有する定着装置において、前記金属パイプは、前記熱源が配置されている金属パイプ内の加圧ステーより下側が大きく膨らんだ形状となっており、前記金属パイプ内の加圧ステーより上側に、前記定着部材と接触しない領域を有し、該領域に位置する前記金属パイプに開口部が設けられおり、前記領域では、前記定着部材の周長に比べて、前記金属パイプの周長が短くなるように調整されていることを特徴とする定着装置である。

本発明によれば、金属パイプは、熱源からの熱吸収率が周方向の領域、軸方向の領域で一様でなく異なっていることで、金属パイプの加熱効率を周方向の領域・軸方向の領域に任意に設定することができる。

本発明の実施形態に係るプリンタ全体の概略構成について説明するための図である。 本発明の実施形態に係る定着装置の構成について説明するための図である。 本発明の実施形態に係る定着装置に利用可能なスリット状の開口部４５の構成について説明するための図である。 本発明の実施形態に係る定着装置に利用可能なパンチングメタル状などの開口部４６の構成について説明するための図である。 本発明の実施形態に係る定着装置による、コーティング比率が大きくなるに従って、ウォームアップタイム（ＷＵＴ）の短縮や消費エネルギーの削減したことを示す図である。 本発明の実施形態に係る定着装置による、コーティング比率が大きくなるに従って、ウォームアップタイム（ＷＵＴ）の短縮や消費エネルギーの削減したことを示すグラフである。 従来のベルト定着方式の定着装置を示す図である。 従来のフィルム加熱方式の定着装置を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る定着装置および画像形成装置に適用可能なレーザープリンタ（以下、「プリンタ」という。）について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る定着装置および画像形成装置に適用可能なプリンタ全体の概略構成について説明するための図である。このプリンタは、潜像担持体としての感光体ドラム２１を有している。感光体ドラム２１は、図中矢印Ａ方向に回転駆動されながら、感光体ドラム２１に接触する一様帯電手段としての帯電ローラにより、その表面を一様に帯電される。

その後、潜像形成手段としての光書込ユニット９により画像情報に基づき走査露光されて、感光体ドラム２１の表面に静電潜像が形成される。
なお、一様帯電手段及び潜像形成手段としては、帯電ローラ及び光書込ユニット９とは異なるものを用いることもできる。感光体ドラム２１上に形成された静電潜像は、後述する現像装置１０により現像され、感光体ドラム２１上にトナー像が形成される。

感光体ドラム２１上に形成されたトナー像は、転写ローラ１１を備えた転写手段としての転写ユニットにより、給紙カセット８から給紙ローラ７及びレジストローラ対６を経て搬送される転写材としての転写紙上に転写される。転写終了後の転写紙は、定着手段としての定着装置４によりトナー像が定着され、機外に排出される。
なお、転写されずに感光体ドラム２１上に残留した転写残トナーは、クリーニング手段としてのクリーニングユニット１２により感光体ドラム２１の表面から除去される。また、感光体ドラム２１上の残留電荷は、除電手段としての除電ランプで除去される。

本実施形態は、複写機・レーザープリンタにおける定着装置３０に関するものである。図２は、定着装置の構成について説明するための図である。
定着装置内に加圧回転体（図２の場合は加圧ローラ３１）と定着ベルト３２とベルトの内摺面に近接させたパイプ状の金属パイプ３３を有し、加熱源３５（図の例ではハロゲンヒータ）により該金属パイプ３３が加熱される定着装置がある。

このとき、図２の定着ベルト３２内には、金属パイプ３３に保持されたニップ形成部材３４があり、ベルト内面と直接（もしくは、摺動シートを介して間接的に）摺動するようになっている。図２ではニップ形成部材３４の形状が凹形状であるが、平坦形状やその他の形状であってもよい。（ニップの形状が凹形状の方が、用紙先端の排出方向が加圧ローラよりになり、分離性が向上するのでジャムの発生が抑制される。）
加圧ローラ３１は、中空の金属ローラにシリコーンゴム層があり、離型性を得るために表面に離型層（ＰＦＡまたはＰＴＦＥ層）が設けてある。

加圧ローラ３１は、画像形成装置に設けられたモータなどの駆動源からギヤを介して駆動力が伝達され回転する。また、加圧ローラ３１はスプリングなどにより定着ベルト側に押し付けられており、ゴム層が押しつぶされて変形することにより、所定のニップ幅を有している。加圧ローラ３１は中実のローラであっても良いが、中空のほうが熱容量は少なくて良い。また、加圧ローラ３１にハロゲンヒータなどの加熱源３５を有していても良い。
シリコーンゴム層はソリッドゴムでもよいが、加圧ローラ３１内部にヒータが無い場合は、スポンジゴムを用いてもよい。スポンジゴムの方が、断熱性が高まり定着ベルト３２の熱が奪われにくくなるので、より望ましい。

定着ベルト３２はニッケルやＳＵＳなどの金属ベルトやポリイミドなどの樹脂材料を用いた無端ベルト（もしくはフィルム）とする。定着ベルト３２の表層はＰＦＡまたはＰＴＦＥ層などの離型層を有し、トナーが付着しないように離型性をもたせている。定着ベルト３２の基材とＰＦＡまたはＰＴＦＥ層の間にはシリコーンゴムの層などで形成する弾性層があってもよい。シリコーンゴム層がない場合は熱容量が小さくなり、定着性が向上するが、未定着画像を押しつぶして定着するときに定着ベルト３２表面の微妙な凹凸が画像に転写されて画像のベタ部にユズ肌状の跡が残るという不具合が生じる。

これを改善するには、シリコーンゴム層を１００μｍ以上設ける必要がある。シリコーンゴム層の変形により、微妙な凹凸が吸収されユズ肌画像が改善する。中空のパイプ状の金属パイプ３３はアルミ、又は鉄、ステンレスなどの金属を用いる。図示した金属体は円形であるが、角型であっても、その他の断面形状であってもよい。パイプ状の金属パイプ３３の内部にはニップ形成部材３４を支持するための支持体を設けてもよい。

このとき、ハロゲンヒータなどの輻射熱などにより支持体が加熱されてしまう場合は、支持体表面に断熱もしくは鏡面処理を行い、加熱されることを防止することで、無駄なエネルギー消費を抑制することができる。金属中空熱伝導体を昇温させる熱源は、図示したハロゲンヒータでもよいが、ＩＨコイルであってもよいし、また、抵抗発熱体、カーボンヒータ等であってもよい。定着ベルト３２は外部のローラにより連れ回り回転する。

図２に示す場合は、加圧ローラ３１が駆動源（図示しない）により回転し、ニップ形成部材３４で定着ベルト３２に駆動力が伝達されることによりベルトが回転する。定着ベルト３２はニップ形成部材３４で挟み込まれて回転するが、ニップ形成部材３４以外では金属体にガイドされており、一定の距離以上にベルトの位置が熱伝導体から離れてしまわないよう案内されている。定着ベルト３２と金属パイプ３３の界面はシリコーンオイルやフッ素グリス等の潤滑剤を有する。
上記のような構成により、安価で、ウォームアップが早く、（パイプ状の金属部材が熱を拡散し、ベルト全体に均質な熱を与えるので）ベルト全体の温度が安定する定着装置を実現することができる。

本実施形態は、図２に示す定着装置の加圧ステー３２および加熱パイプに関するものである。金属パイプ３３は図２に示すように異形状となっており、荷重が負荷される中心線に対してハロゲンヒータ側が大きく膨らんだ形状となっている。また加圧ステー３６を挟んで加圧ステー３２の反対側の部分は金属パイプ３３およびニップ形成部材３４からなる周長が定着ベルト３２の周長を超えないように径・形状を工夫している。
これによって、ハロゲンヒータを配置するスペースを確保することができるとともに、ハロゲンヒータからの輻射熱をより多く金属パイプ３３に吸収させることができるので加熱効率が向上する。さらに金属パイプ３３の加圧ステー３６より上側領域（ヒータと反対の領域）内面４０にはハロゲンヒータからの輻射熱を吸収しにくい材料にて鏡面コーティングがなされている。

材料としてはアルミ、銀、金等が挙げられる。またコーディングの比率としては、吸収側の領域を50％以上設けこの領域すべてにハロゲンヒータからの熱が照射することで加熱効率を高めている。一方、ハロゲンヒータが配置されている加圧ステー３６より下側領域の内面４１にはハロゲンヒータからの輻射熱を吸収しやすい黒色樹脂コーティングがなされている。
これにより、ハロゲンヒータからの輻射熱は金属パイプ３３の下側領域に集中的に吸収されるので、定着ベルトの熱効率を高めることができる。

加熱源３５は、金属パイプ３３内の加圧ステー３６に設けられた反射板３８より下側に配置され、金属パイプ３３の形状は加圧ステーの上側領域がせまく、加圧ステー３６に設けられた反射板３８の下側領域が広くなっており、さらに、加圧ステー３６より上側領域の金属パイプ３３の熱吸収率が低く、加圧ステー３６より下側領域の熱吸収率が高くなっている。

これにより、加熱源３５は金属パイプ内の加圧ステー３６に設けられた反射板３８より下側に配置されるために、金属パイプ３３の加圧ステー３６に設けられた反射板３８より上側領域と下側領域では熱源から受ける熱量が異なる。加えて金属パイプ３３自体の熱吸収率を上側領域は低く、下側領域を高くすることで、下側が集中的に加熱されることとなるため、定着部材への加熱効率を向上させた定着装置を提供することができる。

金属パイプ３３の集中的に加熱したい領域においては熱源からの輻射熱を吸収しにくい材料によってコーティングされており、それ以外の領域においては輻射熱を吸収しやすい材料によってコーティングされている。
これにより、金属パイプ３３の集中的に加熱したい領域においては熱源からの輻射熱を吸収しにくい材料によってコーティングされており、それ以外の領域においては輻射熱を吸収しやすい材料によってコーティングされていることを特徴とすることで、定着部材への加熱効率を向上させた定着装置を提供することができる。

金属パイプ３３の集中的に加熱する領域は、金属パイプ３３全体の５０％以上である。これにより、金属パイプ３３の集中的に加熱する領域は金属パイプ３３全体の５０％以上であることを特徴とすることで定着部材への加熱効率を向上させた定着装置を提供することができる。

金属パイプ３３の加圧ステー３６より上側領域はアルミや銀、金などの蒸着による鏡面コーティングがされており、加圧ステー３６より下側領域には輻射熱を吸収しやすい黒色樹脂コーティングがされている。これにより、金属パイプ３３の加圧ステー３６より上側領域はアルミや銀、金などの蒸着による鏡面コーティングがされており、加圧ステー３６より下側領域には輻射熱を吸収しやすい黒色コーティングがされていることで、定着部材への加熱効率を向上させた定着装置を提供することができる。

また、図２に示すように、金属パイプ３３の上側領域の一部は定着ベルト３２と接していない。これは異形状の金属パイプ３３の周長が定着ベルト３２の周長を超えないための調整している領域であるとともに、加熱領域以外では金属パイプ３３と定着ベルト３２の接触面積を減らしてトルクを軽減することを目的としている。

本実施形態では、この領域に図３に示すようなスリット状の開口部４５、もしくは図４に示すようなパンチングメタル状などの開口部４６を設ける構成としている。これによりパイプの熱容量が削減できるとともに、上側領域の輻射熱の一部がパイプをすり抜けて定着ベルト３２に到達する。
以上のような構成を取ることで、ハロゲンヒータからの輻射熱をより効率的に定着ベルトに伝達することができるので、図５、図６に示すように、コーティング比率が大きくなるに従って、ウォームアップタイム（ＷＵＴ）の短縮や、消費エネルギーを削減した定着装置の提供が期待できる。

金属パイプ３３の加圧ステー３６より上側領域には定着部材と接触しない浮き領域３９が存在し、その部分に開口部４５、４６がある。これにより、金属パイプ３３の加圧ステー３６より上側領域には定着部材と接触しない浮き領域３９が存在し、その部分に開口部４５、４６があることを特徴とすることで、加圧ステー３６より上側領域の熱の一部は金属パイプ３３に吸収されずに通過し定着部材を加熱するため、より定着部材の加熱効率を向上させることができる。

上述した定着装置を用いて、転写紙に転写されたトナー像を熱・圧力により定着させる。この定着装置を用いて画像形成装置を構成することで、熱源からの熱を効率よく定着部材に伝えることが出るため消費エネルギーを抑えた画像形成装置を提供することができる。

４ 定着装置
６ レジストローラ
７ 給紙ローラ
８ 給紙カセット
９ 光書込ユニット
１０ 現像装置
１１ 転写ローラ
１２ クリーニングユニット
２１ 感光体ドラム
３０ 定着装置
３１ 加圧ローラ
３２ 定着ベルト
３３ 金属パイプ
３４ ニップ形成部材
３５ 加熱源
３６ 加圧ステー
３７ 段ねじ
３８ 反射板
３９ 浮き領域
４０ 上側領域の内面
４１ 下側領域の内面
４２ パイプ固定版
４５ スリット状の開口部
４６ パンチングメタル状などの開口部

特開平４−４４０７５号公報 特開平８−２６２９０３号公報 特開平１０−２１３９８４号公報 特開２００７−３３４２０５号公報

Claims (6)

1. 装置内に可撓性を有する無端状の定着部材とその内摺面に近接させた金属体からなるパイプ状の金属パイプと、
   定着部材に直接もしくは摺動シートを介して接する金属パイプに保持されたニップ形成部材と、
   前記ニップ形成部材に、モータなどの駆動源による回転を伝達し、前記定着部材を回転させるための加圧体と、
   前記金属パイプ内の下側に配置された熱源と、
   金属パイプ内に配置され前記金属パイプの断面形状を保持する役割を持ち、且つ前記ニップ形成部材を介して前記加圧体からの加圧力を受ける加圧ステーを保持するフランジと、を有する定着装置において、
   前記金属パイプは、前記熱源が配置されている金属パイプ内の加圧ステーより下側が大きく膨らんだ形状となっており、
   前記金属パイプ内の加圧ステーより上側に、前記定着部材と接触しない領域を有し、該領域に位置する前記金属パイプに開口部が設けられおり、前記領域では、前記定着部材の周長に比べて、前記金属パイプの周長が短くなるように調整されていることを特徴とする定着装置。
2. 前記熱源は前記金属パイプ内の加圧ステーより下側に配置され、前記加圧ステーより上側領域の金属パイプの熱吸収率が低く、前記加圧ステーより下側領域の熱吸収率が高くなっていることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記金属パイプ内の加圧ステーより上側領域においては、前記熱源からの輻射熱を吸収しにくい材料によってコーティングされており、前記金属パイプ内の加圧ステーより下側領域においては、前記熱源からの輻射熱を吸収しやすい材料によってコーティングされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の定着装置。
4. 前記金属パイプ内の加圧ステーより上側領域は、前記金属パイプ全体の５０％以上であることを特徴とする請求項３記載の定着装置。
5. 前記金属パイプ内の加圧ステーより上側領域はアルミや銀、金などの蒸着による鏡面コーティングがされており、前記金属パイプ内の加圧ステーより下側領域には輻射熱を吸収しやすい黒色樹脂コーティングがされていることを特徴とする請求項４に記載の定着装置。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の定着装置を用いて、転写紙に転写されたトナー像を熱・圧力により定着させることを特徴とする画像形成装置。

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