JP6039273B2 - 加熱装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、記録材に形成された画像を加熱する加熱装置に関するものである。とくに、複写機やプリンタ等、電子写真方式を採用する画像形成装置に搭載される定着装置や光沢度向上装置に用いた際に有効な加熱装置に関する。

従来、電子写真方式、静電記録方式等を採用する画像形成装置に具備される加熱装置である定着装置としては、熱ローラ方式が用いられている。

しかしながら、熱ローラ方式の定着装置においては、熱容量の大きな熱ローラを加熱するため、多大な電力と時間を必要とする。これに対して、近年増大している省エネ、クイックスタートへの需要にこたえるため、特許文献１に示すような、加熱ベルトを用いた、ベルト方式の定着装置が提案されている。

ベルト方式の定着装置においては、加熱ベルトと加圧部材が圧接配置され、加熱ベルト内部には、加圧部材との対抗部内面に加圧部材に定着ベルトを密着従動させるための摺動部材、加熱ベルト内面および摺動部材を加熱するための熱源が配置される。摺動部材は、加圧部材との間に均一なニップを形成するために、摺動板保持部材に支持され、摺動板保持部材は、さらに摺動板保持部材を長手方向に均一に加圧するために、支持部材によって、加圧支持される。

このとき、画像形成装置の速度が比較的遅い場合は単一の熱源を用いて問題ないが、近年、高速化、一枚目出力時間（First Page Out Time:FPOT）短縮の要求が大きく、定着ベルトを急速に加熱する必要がある。そのためには、熱源の消費電力をある程度大きくする必要がある。このとき、熱源のオン・オフに伴う、フリッカ（同一電源に接続された蛍光灯やＣＲＴモニタ等のちらつき）が問題となる。

フリッカを防止するためには、急激な負荷変動を避ける必要がある。すなわち、熱源を複数に分割し、オン・オフ・のタイミングをずらすことにより、フリッカを軽減することが可能である。そのような加熱装置の一例は、特許文献２に開示されている。

熱源としては、ハロゲンランプ、セラミックヒータ、等が用いられる。特にハロゲンランプは、入手の容易さ、配置の自由度から、定着装置に用いるのには好適である。複数の熱源を配置する方法としては、ニップに対する略垂線に沿って配置することで、支持部材との干渉を防ぐことができる。

特開２００９−１０４１１４号公報 特開平９−２５８５９８号公報

しかしながら、上述のように複数の熱源を配置した場合、摺動部材に近い側の熱源からの熱は、支持部材や摺動板保持部材等、定着装置の構造物を加熱することに主に使われてしまう。このため、定着装置が冷えた状態からの立ち上げ時においては、加熱ベルトが効率的に加熱されずに、加熱ベルトの温度上昇が遅くなる。

このため、立ち上げ時の消費電力が大きくなったり、一枚目出力時間が長くなったりするという問題点があった。

そこで本発明では、ベルト方式の加熱装置において、加熱するベルトをより早く昇温させ、熱効率および一枚目出力時間を向上することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明の代表的な構成は、無端ベルト部材と、前記無端ベルト部材の内面に接触して前記無端ベルト部材と摺動する摺動部材と、前記摺動部材との間で前記無端ベルト部材を挟持しつつ前記無端ベルト部材との間でニップ部を形成する加圧回転体と、前記無端ベルト部材の中空部に前記無端ベルト部材と接触しないように設けられ、輻射光を前記無端ベルト部材の内面に直接照射し前記無端ベルトを加熱する第１の発熱体及び第２の発熱体と、を有し、前記ニップ部において画像が形成されたシートを搬送しながら加熱して前記画像を前記シートに定着する定着装置において、前記第１の発熱体は、前記第２の発熱体よりも前記無端ベルト部材の内面に近い位置に設けられ、前記第１の発熱体の最大消費電力は、前記第２の発熱体の最大消費電力よりも大きいことを特徴とする。

本発明の加熱装置では、最大消費電力が第１の発熱体より小さな第２の発熱体を摺動部材により近い位置に配置している。このため、第２の発熱体が小さい電力で摺動部材を加熱する一方、第２の発熱体より無端ベルト部材に近い側の第１の発熱体は、無端ベルト部材をより大きな電力で加熱することが可能となる。そのため、無端ベルト部材がより早く昇温し、より短い時間で加熱装置を加熱工程に供することが可能となる。

本発明の第１実施形態の定着装置の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態と比較例とで、加熱ベルトの表面温度の推移を測定したグラフである。 本発明の第１実施形態の定着装置を搭載した画像形成装置の全体構成図である。 本発明の第２実施形態の定着装置における、メインヒータ、サブヒータ、排出センサのオン・オフのタイミングを示すシーケンスチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

＜第１実施形態＞
（画像形成装置の全体構成）
図３は、本発明の実施形態の画像形成装置の全体構成を示す図である。この画像形成装置は電子写真方式を用いたプリンタである。

プリンタ１００は、外部のホストコンピュータ等（図示せず）から画像情報を受信し、受信した画像情報に応じた画像をシート状の記録材Ｐ（シート）に形成して記録する。

プリンタ１００がプリント信号を受信すると、感光ドラム１１の回転駆動が開始される。感光ドラム１１は時計方向に規定の周速度にて回転駆動される。そして、規定のバイアスが印加されている帯電ローラ１２により、感光ドラム１１の表面が規定の電位に帯電される。

次に、不図示のホストコンピュータ等からの画像情報に応じて感光ドラム１１の表面の帯電処理済みの部位が、レーザースキャナ１３により走査および露光される。露光された領域では画像情報に応じた静電潜像が感光ドラム１１表面に形成される。そして、現像装置１４により、現像されて、感光ドラム１１の表面にトナー画像として可視像化される。

一方、所定のタイミングにて駆動された給送ローラ１５により給送カセットから記録材Ｐが一枚分離給送される。給送カセットから給送された記録材Ｐはレジストローラ対１６により所定の制御タイミングにて感光ドラム１１と転写ローラ１７の間に形成された転写ニップ部Ｎへと給送される。そして、記録材Ｐが転写ニップ部を挟持搬送される過程において感光ドラム１１上のトナー画像が記録材Ｐに順次転写される。

そして、転写処理された記録材Ｐは、定着装置１８（加熱装置）によりトナー画像の加熱定着処理が施されたのち、排出ローラ対１９を通過して、プリンタ本体の外へと排出される。

感光ドラム１１上に残された転写残トナーは、クリーニング装置２０によりクリーニングされ、一連の画像形成プロセスが完了する。

（定着装置の構成）
次に、加熱装置である定着装置１８の構成について説明する。図１は、定着装置１８の構成を示す図である。

定着装置１８は、一般的な電子写真方式の画像形成方法により形成されたトナー像を加熱定着するためのものである。すなわち、図面右側より、トナー像を担持した記録材Ｐが、不図示の搬送手段により搬送され、定着装置１８を通過すことにより、トナー像が加熱定着される。定着装置１８は、記録材Ｐを加熱する、回転可能に支持された加熱ベルト１（無端ベルト部材）を具備している。加圧回転体である加圧ローラ２は、加熱ベルト１に圧接し、加熱ベルト１を駆動しつつ、記録材Ｐを搬送する。加熱ベルト１の内側には、加熱ベルト１に接触し、加熱ベルト１を介して、加圧ローラ２との間で定着ニップを形成するための摺動板３（摺動部材）が加熱ベルト１の内面を摺動するよう設けられている。

摺動板保持部材４は、摺動板３を保持する。支持部材５は、摺動板保持部材４を支持し、不図示の加圧手段により、摺動板保持部材４を介して、摺動板３を加圧することによって加圧ローラ２との間に定着ニップ（圧接ニップ部）を形成する。すなわち、加圧ローラ２と摺動板３とが加熱ベルト１と記録材Ｐとを挟持して長手方向に直線状の定着ニップを形成し、この直線状の定着ニップで加熱及び加圧され、記録材Ｐの表面に掲載されたトナー画像が定着される。

加熱ベルト１や摺動板３を加熱するヒータは、エンドレスの加熱ベルト１の内側にメインヒータ６ｂ（第１の発熱体）とサブヒータ６ａ（第２の発熱体）の２個が配置されされている。サブヒータ６ａは、２つのヒータのうち下側、すなわちメインヒータ６ｂよりも摺動板３に近い位置に配置され、補助的な役割を果たす熱源である。メインヒータ６ｂは、２つのヒータのうち、上側、すなわちサブヒータ６ａよりも加熱ベルト１に近い側に配置され、定着プロセスに主に使用される熱源である。また、加熱ベルト１の外部には、不図示の加熱ベルト表面温度検出手段が設けられる。加熱ベルト１の表面温度検出手段により検出された温度は、不図示の制御手段に送られ、制御手段によりメインヒータ６ｂおよびサブヒータ６ａの動作が制御される。

また、本実施形態における定着装置１８には配置しなかったものの、摺動板３の裏面や、摺動板保持部材４等に温度検知手段を設け、定着装置内部の構造物温度を測定し、その結果に基づいてサブヒータ６ａ、メインヒータ６ｂの駆動条件を決定しても構わない。

加熱ベルト１は、ポリイミド、ポリアミドイミド、ＰＥＥＫ等の耐熱性樹脂またはニッケルやＳＵＳといった金属製の基材上に離型層を設けることにより構成される。特に、カラートナー像のように、複数色を混色し、均一な定着画像を得る必要がある場合は、基材上に１００〜１０００μｍ程度の厚みの弾性層を設け、その上に離型層を設ける構成とすることが望ましい。

また、加熱ベルト１の裏面（摺動部材側）に、黒色塗料等による、吸熱層を設けても良い。本実施形態の加熱ベルト１は、厚み５０μｍのＳＵＳ基材上に、弾性層として３００μｍの厚みのシリコーンゴム層を設け、さらに表面の離型層として、フッ素樹脂チューブを被覆している。また、加熱ベルト１の裏面には、耐熱性の黒色塗料を塗布し、熱源からの熱を効率よく吸収する構成としている。

加圧ローラ２は、芯材上に弾性層、離型層を設けることにより構成される。本実施形態においては、芯材として、鉄製の心金、弾性層として、発泡シリコーンゴム層を設けた上に、フッ素樹脂チューブの離型層を設けたものを用いている。

摺動板３は、金属板、セラミック板等の板材を用いる。定着ニップ内での圧力分布を変化させる凹凸形状等を設けても構わない。また、板材にフッ素樹脂等の樹脂コーティングまたはガラスコーティング等を設けても構わない。本実施形態においては、摺動板３として、幅１０ｍｍ、長さ２７０ｍｍ、厚み１ｍｍのアルミ平板表面にフッ素樹脂コーティングを施したものを用いている。

摺動板保持部材４は、耐熱樹脂、金属等により構成され、摺動板３を保持する。また、摺動板保持部材４は、加熱ベルト１の軌道をガイドする機能を持っても良い。本実施形態においては、摺動板保持部材４を、ＬＣＰ（液晶ポリマー）成形により得た。また、本実施形態における摺動板保持部材４には、長手方向にサブヒータ６ａからの熱を直接、摺動板３に伝えるためのスリットを設けている。

支持部材５は、金属、樹脂等により形成され、不図示の加圧手段により長手端部で加圧され、長手方向に均一に摺動板保持部材４を加圧することにより、摺動板３と加圧ローラ２との間に、加熱ベルト１を介して、均一な定着ニップを形成する。本実施形態においては、支持部材５として、厚み２ｍｍの鉄製部材を用いた。

サブヒータ６ａおよびメインヒータ６ｂは、ランプヒータ、電熱線または抵抗パターンが備えられた面状発熱体等が主に用いられる。サブヒータ６ａとメインヒータ６ｂは、異なる形式の熱源を用いても構わない。本実施形態においては、サブヒータ６ａ、メインヒータ６ｂとも、入手、配置が容易な円筒形状（長尺形状）のハロゲンランプを用いた。

ここで、サブヒータ６ａ及びメインヒータ６ｂは、定着装置１８の長手方向に垂直な投影面に於いて、およそ定着ニップに対して引いた垂線Ｌｖに沿って配置される。すなわち、立体的に表現すれば、サブヒータ６ａとメインヒータ６ｂは、定着ニップ部における加圧ローラ２と加熱ベルト１とが接する接線を含み、摺動板３の摺動面に略垂直な平面上で、それぞれ、この接線に平行となるように設けらている。

これは、サブヒータ６ａとメインヒータ６ｂを水平や斜めに配置すると、支持部材５にヒータが近づくこととなり、支持部材５が必要以上に昇温することとなり、好ましくないからである。また、メインヒータ６ｂを加熱ベルト１の外部に配置し、サブヒータ６ａを加熱ベルト１の内部に配置すると、定着装置１８の大型化及び構造の複雑化を招くことから、好ましくない。したがって、サブヒータ６ａとメインヒータ６ｂは、加熱ベルト１の内側で、定着装置１８の長手方向に垂直な投影面に於いて、およそ垂線Ｌｖに沿って配置されることが好ましい。

さらに、本実施形態において、サブヒータ６ａとメインヒータ６ｂの定格消費電力（最大消費電力）は、サブヒータ６ａが５００Ｗで、メインヒータ６ｂが９００Ｗとした。すなわち、メインヒータ６ｂの最大消費電力の方がサブヒータ６ａの最大消費電力よりも大きくなっている。

（定着装置の動作）
画像形成装置が動作を開始した後、一定のタイミングで、定着装置１８の動作を開始する。不図示の定着モータにより、加圧ローラ２が回転駆動され、加圧ローラ２による駆動力により、加熱ベルト１の駆動も行われる。

サブヒータ６ａ及びメインヒータ６ｂはともに不図示の制御手段によりオン・オフ制御される。加圧ローラ２の駆動開始とともに、サブヒータ６ａを点灯し、定着装置１８の内部の構造物を加熱しつつ、メインヒータ６ｂが加熱ベルト１の裏面を加熱することにより、定着動作に必要な熱が供給される。すなわち、室温状態からの定着装置１８の立ち上げ時は、サブヒータ６ａ、メインヒータ６ｂともに点灯する。なお、十分な定着性を得るためには、加熱ベルト１の表面温度が１６０℃まで立ち上がっていることが必要となるため、１６０℃を加熱ベルト１表面温度の目標とした。

加熱ベルト１の表面温度が１６０℃以上となるタイミング以降に、転写処理された記録材Ｐが定着装置１８に搬送され、トナー画像の加熱定着処理が施され、排出ローラ対１９を通過して、プリンタ１００の外へと排出される。

定着装置１８が室温まで完全に冷えている場合、加熱ベルト１のみを加熱しても、定着ニップ部近傍においては、摺動板３や摺動板保持部材４、さらには支持部材５等、定着装置内部の構造物に熱を奪われてしまい、加熱ベルト１の昇温に時間がかかってしまう。そのため、サブヒータ６ａを点灯することにより、定着装置１８の内部の構造物を効果的に温めることにより、定着装置１８の立ち上げを急速に行うことができる。

本実施形態においては、加熱ベルト１の表面温度が１６０℃となるまでの時間は、７秒であった。記録材Ｐの搬送のための時間等を考慮しても、本実施形態の構成においては、一枚目出力時間を１０秒以下とすることを達成できる。

（従来例との比較）
次に、比較例と本実施形態の構成で、加熱ベルト１の表面温度の推移を評価した。

この比較例においては、第１実施形態と同様の画像形成装置、定着装置を用いるものの、メインヒータ６ｂとサブヒータ６ａの定格電力を逆にしたことが異なる。すなわち、サブヒータ６ａの定格電力として、９００Ｗ、メインヒータ６ｂの定格電力として、５００Ｗのものを用いた。

このとき、前回転時にメインヒータ６ｂ、サブヒータ６ａを同時に点灯すると、短時間で定着装置内部の構造物が高温になり、樹脂部材が溶融する可能性が発生するため、立ち上げ後短時間でサブヒータ６ａをオフすることになる。メインヒータは加熱ベルト１の裏面を加熱するものの、定格電力が小さいために、加熱ベルト１の昇温速度は小さくなる。

図２は、本実施形態と比較例の、室温（２３℃）からの立ち上げ時の、加熱ベルト１の表面温度の推移を測定したグラフである。図２において、実線は本実施形態における加熱ベルト１表面の温度推移、破線は比較例における加熱ベルト１の表面の温度推移を示す。

図２に示すように、比較例においては、加熱ベルト１の表面温度が立ち上がらず、一枚目出力時間が不利になっていることがわかる。比較例においては、加熱ベルト１の表面が目標温度に到達するまでの時間は１０．５秒であった。したがって、一枚目出力時間は、１２〜１３秒程度まで伸びてしまう。一方、本実施形態の構成においては、加熱ベルト１の表面温度が目標温度まで達するまでに要する時間は７秒程度であり、本実施形態の構成であれば、一枚目出力時間を１０秒以内とすることが可能である。

効率よく加熱ベルト１を加熱し、定着性を確保できる温度まで昇温させるために、メインヒータ６ｂの定格電力を、サブヒータ６ａの定格電力よりも大きくする。そして、低温からの立ち上げ時にはサブヒータ６ａにより、定着装置内部の構造物を効率よく温めながら、メインヒータ６ｂによって、加熱ベルト１の裏面により大きな熱量を供給することが効果的であることがわかる。

＜第２実施形態＞
次に本発明の第２実施形態の画像形成装置について説明する。本実施形態においては、メインヒータとサブヒータを同時にオン・オフすることによる、フリッカを防止するため、メインヒータ、サブヒータの点灯タイミングをずらしたことを特徴とする。

本実施形態では、プリンタ１００は、第１実施形態と同様のものを用いた。また、定着ニップ部の下流側には、フォトカプラ等による排出センサ２０１が設けられ、定着ニップ部における記録材Ｐの有無を検知する。第１実施形態と異なるのは、メインヒータ６ｂとサブヒータ６ａの通電の制御のタイミングである。

図４は、本実施形態の定着装置１８における、メインヒータ６ｂ、サブヒータ６ａ、排出センサ２０１のオン・オフの動作のタイミングを示すシーケンスチャートである。このシーケンスチャートは、記録材Ｐを２枚連続通紙した場合のものである。

同図に示すように、プリンタ１００は、タイミング４０１においてプリント信号を受け取り、それと同時に定着装置１８を駆動するモータが回転を始める。それとともに、メインヒータ６ｂへの通電を行い、加熱ベルト１への加熱を開始する。サブヒータ６ａは、メインヒータより遅れて、タイミング４０２で通電を開始する。このことにより、メインヒータ６ｂ、サブヒータ６ａが同時に点灯を開始することを防ぎ、急激な負荷変動によるフリッカを防止している。特にハロゲンヒータを用いた場合には、通電開始時の突入電流が大きいので、２つのヒータが同時にオンすると急激に電流が流れてフリッカの原因となりやすい。このため２つのヒータのオンのタイミングを変えることは重要である。

サブヒータ６ａは、記録材Ｐの先端が排出センサ２０１を通過するタイミング４０３で消灯する。そして、レジストローラ対１６に記録材Ｐが通過してから所定の時間が経過することにより定着装置１８に２枚目の記録材Ｐが通過するタイミング４０４でサブヒータ６ａが点灯される。さらに、この２枚目の記録材Ｐが定着装置１８を通過し、排出センサ２０１で検知されるタイミング４０５で、再び、サブヒータ６ａは、消灯する。

立ち上げ時にある程度、定着装置１８の構造物に蓄熱された状態であれば、メインヒータ６ｂから加熱ベルト１への熱供給のみで定着が可能である。そして、その後は紙間で熱を補うために、記録材Ｐが定着装置１８を通過する間のみサブヒータ６ａを点灯し、記録材Ｐが通過していない間は、消灯する。２枚数の記録材Ｐの排出後、タイミング４０６に於いて、メインヒータも消灯される。すなわち、複数の記録材Ｐの加熱を続けて行う場合において、メインヒータ６ｂの通電は、複数の記録材Ｐのすべての加熱が終了するまで連続して行い、サブヒータ６ａの通電は、複数の記録材Ｐの各々が定着装置１８を通過している場合のみ行う。これにより、省電力化が可能となる。

本実施形態においては、通紙中にメインヒータ６ｂは常に点灯しているが、通紙中に加熱ベルト１の表面温度が定着に必要な温度を大幅に超えた場合は、メインヒータ６ｂもオフし、加熱ベルト１等に蓄熱された熱のみで定着動作させても良い。この場合も、メインヒータ６ｂとサブヒータ６ａは、同時に点灯開始・消灯を行うことが無いよう、点灯・消灯タイミングをずらすシーケンスが採用される。

１…加熱ベルト
２…加圧ローラ
３…摺動板
４…摺動板保持部材
５…支持部材
６ａ…サブヒータ
６ｂ…メインヒータ
１８…定着装置

Claims (6)

1. 無端ベルト部材と、
   前記無端ベルト部材の内面に接触して前記無端ベルト部材と摺動する摺動部材と、
   前記摺動部材との間で前記無端ベルト部材を挟持しつつ前記無端ベルト部材との間でニップ部を形成する加圧回転体と、
   前記無端ベルト部材の中空部に前記無端ベルト部材と接触しないように設けられ、輻射光を前記無端ベルト部材の内面に直接照射し前記無端ベルトを加熱する第１の発熱体及び第２の発熱体と、を有し、
   前記ニップ部において画像が形成されたシートを搬送しながら加熱して前記画像を前記シートに定着する定着装置において、
   前記第１の発熱体は、前記第２の発熱体よりも前記無端ベルト部材の内面に近い位置に設けられ、前記第１の発熱体の最大消費電力は、前記第２の発熱体の最大消費電力よりも大きいことを特徴とする定着装置。
2. 前記第１の発熱体及び前記第２の発熱体は、前記ニップ部で前記無端ベルト部材と前記加圧回転体が接する接線に略垂直な面上に配置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。
3. 前記第１の発熱体及び前記第２の発熱体の通電が同時に開始されないようにタイミングをずらしてそれぞれの通電が行われることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の定着装置。
4. 複数のシートの加熱を続けて行う場合において、前記第１の発熱体の通電は、前記複数のシートのすべての加熱が終了するまで連続して行い、前記第２の発熱体の通電は、前記複数のシートの各々が前記加熱装置を通過している場合のみ行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の定着装置。
5. 前記第１の発熱体及び前記第２の発熱体は、ハロゲンランプであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の定着装置。
6. シートに画像を形成する画像形成部と、
   前記画像形成手段によって形成された画像の定着を行うために前記シートを加熱する請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の定着装置と
   を具備することを特徴とする画像形成装置。

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