JP6264321B2 - 定着装置及びそれを備えた画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、複写機、プリンター、ファクシミリ、それらの複合機等の画像形成装置に用いる定着装置及びそれを備えた画像形成装置に関し、特に、加熱した定着ベルトと加圧部材とで形成される定着ニップ部に、未定着トナー画像を担持した用紙を挿入して未定着トナーを加熱、溶融し、用紙に定着するベルト定着方式の定着装置に関するものである。

電子写真方式を用いた従来の画像形成装置においては、用紙を加熱するための加熱部材を、加熱ローラーに代えて発熱源からの輻射熱を吸収して発熱する無端状の定着ベルトとし、定着ベルトとこれに圧接される加圧部材とで形成される定着ニップ部に未定着トナー画像を担持した用紙を挿通することによって用紙にトナーを定着するベルト定着方式が開発されている。

このベルト定着方式では、定着ニップ部を形成する定着ローラー対の少なくとも一方のローラーを加熱ローラーとし、この定着ニップ部に未定着トナー画像を担持した用紙を挿通することによって用紙にトナーを定着する熱ローラー定着方式に比べ、熱容量を小さくしてウォームアップ時間を短縮するとともに、消費電力を低減することができる。

例えば特許文献１には、回転可能な無端状ベルトである定着部材と、定着部材の外周側に該定着部材と圧接可能に配置される加圧部材と、定着部材の内周側に配置され、ベース部材と該ベース部材に巻きつけられる摺動シートとからなり、定着部材を介して加圧部材と圧接してニップ部を形成するニップ形成部材と、定着部材の内径部に固設され、ニップ形成部材をニップ部とは反対側から支持する補強部材と、定着部材の内周側に固設され、外周面が該定着部材の内周面と摺接して前記定着部材の回転を支持する略円筒状の支持部材と、支持部材の円筒内部に配置され該支持部材を加熱する加熱手段と、を備えた定着装置が開示されている。

特開２０１２−１２８２１９号公報

上記のようなベルト定着方式の定着装置においては、定着ベルトの移動方向と直交するベルト幅方向における熱移動が少ない。そのため、通紙領域の外側の非通紙領域の温度上昇が発生し易く、定着ベルトの過昇温による耐熱性が問題となる。この対策として、ベルト幅方向両端部の内側に金属性の端部過昇温防止キャップを取り付けることで、定着ベルトの非通紙領域にヒーターからの輻射熱が直接伝わらないようにして過昇温を防止することがある。しかし、端部過昇温防止キャップを取り付けた場合、非通紙領域に対向するヒーターの両端部で熱が籠り、ヒーターの両端部に設けられたヒーターシール部が破損するという弊害があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、定着ベルトの非通紙領域の過昇温を抑制するとともに、定着ベルトの内側に配置されるヒーターの破損も防止可能な定着装置及びそれを備えた画像形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の第１の構成は、定着ベルトと、ヒーターと、保持部材と、加圧部材と、を備える定着装置である。定着ベルトは、無端状であって記録媒体の搬送速度と略等速で回動可能である。ヒーターは、定着ベルトの内側に配置され輻射熱によって定着ベルトを加熱する。保持部材は、定着ベルトの内側に配置され定着ベルトの内周面と摺動する。加圧部材は、定着ベルトを挟んで保持部材に所定の圧力で圧接されることで定着ベルトとの間に定着ニップ部を形成する。そして、定着ニップ部に記録媒体を挿通させて記録媒体上に担持された未定着トナー像を定着する。ヒーターは、封入ガスとフィラメントとが封入された発熱部と、発熱部の両端を封止するシール部と、を有する。ヒーターの両端部には、定着ベルトの幅方向両端部へ向かう輻射熱を遮断する端部過昇温防止部材が装着されており、端部過昇温防止部材は、ヒーターのシール部に対向する部分に第１開口部が形成される。

本発明の第１の構成によれば、ヒーターの両端部に装着される端部過昇温防止部材に第１開口部を形成することにより、ヒーターのシール部周辺に熱が籠り難くなり、シール部の温度上昇が抑制される。従って、シール部の破損を効果的に抑制することができ、ヒーターの耐用年数を延ばすことができる。

本発明の一実施形態に係る定着装置１５を備えた画像形成装置１００の内部構造を示す側面断面図 本実施形態の定着装置１５の側面断面図 本実施形態の定着装置１５の定着ニップ部Ｎを構成する部材の分解斜視図 本実施形態の定着装置１５に用いられるヒーター３３を長手方向に沿って切断した状態を示す断面図 本実施形態の定着装置１５の定着ニップ部Ｎを構成する各部材の組み立て途中の状態を示す斜視図 端部過昇温防止キャップ５７が装着されたヒーター３３の端部周辺の斜視図 端部過昇温防止キャップ５７が装着されたヒーター３３の端部周辺の側面図 端部過昇温防止キャップ５７が装着されたヒーター３３の端部周辺の側面断面図 図８における第１開口部５９、第２開口部６７周辺の部分拡大図

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る定着装置１５を備えた画像形成装置１００の内部構造を示す側面断面図である。画像形成装置（例えばモノクロプリンター）１００内には、帯電、露光、現像及び転写の各工程によりモノクロ画像を形成する画像形成部Ｐが配設されている。画像形成部Ｐには、感光体ドラム５の回転方向（図１の時計回り方向）に沿って、帯電ユニット４、露光ユニット（レーザー走査ユニット等）７、現像ユニット８、転写ローラー１４、クリーニング装置１９、及び除電装置（図示せず）が配設されている。

画像形成動作を行う場合、帯電ユニット４により時計回り方向に回転する感光体ドラム５が一様に帯電され、原稿画像データに基づく露光ユニット７からのレーザービームにより感光体ドラム５上に静電潜像が形成され、現像ユニット８により静電潜像に現像剤（以下、トナーという）が付着されてトナー像が形成される。

この現像ユニット８へのトナーの供給はトナーコンテナ９から行われる。なお、画像データはパーソナルコンピューター（図示せず）等から送信される。また、感光体ドラム５の表面の残留電荷を除去する除電装置（図示せず）が、感光体ドラム５の回転方向に対しクリーニング装置１９の下流側に設けられている。

上記のようにトナー像が形成された感光体ドラム５に向けて、用紙が給紙カセット１０又は手差し給紙装置１１から用紙搬送路１２及びレジストローラー対１３を経由して搬送され、転写ローラー１４（画像転写部）により感光体ドラム５の表面に形成されたトナー像が用紙に転写される。トナー像が転写された用紙は感光体ドラム５から分離され、定着装置１５に搬送されてトナー像が定着される。定着装置１５を通過した用紙は、用紙搬送路１６により装置上部に搬送され、用紙の片面のみに画像を形成する場合（片面印字時）は、排出ローラー対１７により排出トレイ１８に排出される。

一方、用紙の両面に画像を形成する場合（両面印字時）は、用紙の後端が用紙搬送路１６の湾曲部２０を通過した後に搬送方向を逆転させる。これにより、用紙は湾曲部２０から分岐する反転搬送路２１に振り分けられ、画像面を反転させた状態でレジストローラー対１３に再搬送される。そして、感光体ドラム５上に形成された次のトナー像が、転写ローラー１４によって用紙の画像が形成されていない面に転写される。トナー像が転写された用紙は、定着装置１５に搬送されてトナー像が定着された後、排出ローラー対１７により排出トレイ１８に排出される。

図２は、画像形成装置１００に搭載される定着装置１５の側面断面図であり、図３は、定着装置１５の定着ニップ部Ｎを構成する部材の分解斜視図である。定着装置１５は、定着ベルト３０と、加圧ローラー３１と、ヒーター３３と、反射板３５と、支持ステー３７と、ニップ板３９と、摺動シート４０と、を備えるベルト定着方式である。なお、図２では定着装置１５のハウジングは記載を省略している。

定着ベルト３０は、最内側（ヒーター３３側）に設けられたベース層や最外側（加圧ローラー３１側）に設けられた離型層を含む複数の層が積層されて成る無端状のベルトである。この定着ベルト３０は、ニップ板３９及び端部キャップ６１（図５参照）により所定の張力が与えられている。

ベース層としては、ニッケル等の金属をメッキ、又は圧延処理した金属層、或いはポリイミドフィルム等の合成樹脂層が用いられる。離型層としては、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等のフッ素系樹脂が用いられ、塗料の塗布やチューブを被せることによって形成されている。離型層は、ＰＦＡチューブであれば１０〜５０μｍ、フッ素樹脂塗料であれば１０〜３０μｍ程度の厚さが適当である。

また、ベース層と離型層との間に、弾性層として厚さ１００〜１０００μｍ程度のシリコーンゴム層を設けても良い。この構成によれば、弾性層が用紙上の未定着トナー像を包み込んで、ソフトに定着できる。その結果、画像の高画質化を図ることが可能となり、高性能な定着装置を得ることができる。

また、ベース層と離型層との間に蓄熱層を設けてヒーター３３から得た熱を逃がさないようにし、且つ定着ベルト３０の表面の温度を均一に保持することもできる。その結果、さらに高い加熱効率が得られるとともに、ウォームアップ時間の短縮及び消費電力の低減効果を高めることが可能となる。

蓄熱層は、シリカやアルミナ、酸化マグネシウム等の金属酸化物の粉末をフィラーとして配合して熱伝導率を高めたシリコーンゴムや、アルミ、銅、ニッケル等の熱伝導率の高い金属で構成され、これらをチューブ状に成型したものを被覆する、或いはメッキするなどして設けられている。蓄熱層は、シリコーンゴムのように弾性がある材料であれば良いが、金属で構成した場合、肉厚を厚くし過ぎるとベルトの硬度が上がり、トナーを溶融するのに必要なニップ量が得られなくなってしまう。したがって、蓄熱層の厚さは、１０〜１０００μｍ、望ましくは５０〜５００μｍとする。

また、定着ベルト３０の外周面に対向するようにサーミスター（図示せず）が設けられている。このサーミスターにより定着ベルト３０表面の温度を検知し、ヒーター３３をＯＮ／ＯＦＦすることによって定着温度の制御を行う。ここでは定着ベルト３０の表面温度を１４０℃に設定している。

また、定着ベルト３０の幅方向（図２の紙面と垂直な方向）の寸法は、定着ニップ部Ｎを通過する最大の用紙幅よりも広く設定されている。これにより、定着ベルト３０は用紙サイズに係わらず用紙全面を覆うことができるため、加圧ローラー３１及びニップ板３９への未定着トナーの付着を防止できる。

加圧ローラー３１は、金属等の材料から構成される円筒形状の芯金３１ａ上にシリコーンゴム等の弾性層３１ｂが形成され、この弾性層３１ｂの表面をフッ素樹脂コート等の離型層（図示せず）で被覆したものが用いられる。

本実施形態に用いる加圧ローラー３１の具体的な構成としては、例えば、外径１２ｍｍの基体３１ａの外周面に、弾性層３１ｂとして厚さ６．５ｍｍのシリコーンゴム層を積層し、離型層としてＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）製のチューブ材で被覆したものが挙げられる。

ヒーター３３は、不活性ガスに微量のハロゲン物質を添加した封入ガスを用いる赤外線ランプ（ハロゲンランプ）であり、輻射熱を発生させることで定着ベルト３０を加熱する。ヒーター３３の詳細な構成については後述する。反射板３５は、ヒーター３３からの輻射熱を反射して定着ベルト３０を効率よく加熱する。

支持ステー３７は、断面Ｌ字状の金属板を２枚組み合わせて溶接することにより角筒状に形成されている。支持ステー３７の上面には反射板３５が支持されており、支持ステー３７の下面には後述するニップ板３９が支持されている。支持ステー３７の両端部は定着装置１５のハウジング側板１５ａ（図８参照）に固定される。

ニップ板３９は、定着ベルト３０を介して加圧ローラー３１と当接することで、用紙を挿通させる定着ニップ部Ｎを形成する。ニップ板３９の材質としては、液晶ポリマー等の耐熱性樹脂やシリコーンゴム等の弾性材料で構成されており、定着ベルト３０との対向面にはエラストマーを配置する場合もある。

摺動シート４０は、定着ベルト３０とニップ板３９との接触面（摺動面）の摺動負荷を低減するために、ニップ板３９の外側に巻き付けられる。摺動シート４０としては、ＰＴＦＥシート等のフッ素樹脂系のシートが用いられる。

加圧ローラー３１は定着ベルト３０に所定の圧力で圧接される。モーター（図示せず）によって加圧ローラー３１が図２の反時計回り方向に回転すると、加圧ローラー３１と定着ベルト３０の外周面との摩擦力によりニップ板３９（摺動シート４０）と定着ベルト３０の内周面とが摺動して定着ベルト３０が図２の時計回り方向に従動回転する。定着ベルト３０及び加圧ローラー３１が互いに逆回転しながら当接する部分には、定着ニップ部Ｎが形成される。

用紙が用紙搬送方向の上流側（図２の右側）から定着ニップ部Ｎに搬送され、定着ニップ部Ｎにおいて、定着ベルト３０と加圧ローラー３１によって加熱及び加圧されることにより、用紙上の粉体状態のトナーが熱溶融して定着される。定着処理後の用紙は、図示しない分離爪によって定着ベルト３０の表面から分離された後、用紙搬送方向に対し定着装置１５の下流側（図２の左側）に搬送される。

図４は、定着装置１５に用いられるヒーター３３を長手方向に沿って切断した状態を示す断面図である。ヒーター３３は、長手方向中央部の発熱部３３ａと、発熱部３３ａの両側に設けられたシール部３３ｂとを有する。

発熱部３３ａは、発熱体であるフィラメント４１と、不活性ガスとハロゲンとから成る封入ガスとが円筒状のバルブ４３内に封入されている。バルブ４３内にはフィラメント４１を支持する複数のサポーター４７が所定の間隔を隔てて配置されている。フィラメント４１の材質としては、融点が高く蒸発度が小さいタングステンが用いられる。バルブ４３は、封入されたハロゲンと加熱蒸発するタングステンとの循環再生反応（ハロゲンサイクル）によって高温となるため、バルブ４３の材質として耐熱性に優れた石英ガラスが使用される。発熱部３３ａのうち、フィラメント４１が配置された領域が発光領域（発熱領域）Ｒとなる。

シール部３３ｂは、バルブ４３と外部電線５５（図５参照）が接続されるベース４５とを封着する部分である。シール部３３ｂの内部にはナイフエッジをもつ厚さ２０〜３０μｍのモリブデン箔５０が配置されており、モリブデン箔５０にフィラメント４１から延びる内部リード線５１とベース４５から延びる外部リード棒５３とが接続された状態でピンチシールされている。

次に、本実施形態の定着装置１５の定着ニップ部Ｎを構成する各部材の組み立て手順について説明する。図５は、定着ベルト３０の内側に配置される各部材が組み立てられた状態を示す斜視図である。なお、説明の便宜のため、図５では定着ベルト３０、端部リング６０、端部キャップ６１を取り外した状態を示している。先ず、支持ステー３７の上面及び下面に、それぞれ反射板３５、摺動シート４０が巻き付けられたニップ板３９を装着する。次に、支持ステー３７の両端部に端部過昇温防止キャップ５７を装着する。また、ヒーター３３の両端部のベース４５に外部電線５５を接続する。

次に、反射板３５、ニップ板３９、及び端部過昇温防止キャップ５７が装着された支持ステー３７を定着ベルト３０内に挿入する。その後、一対の端部リング６０と、端部リング６０を回転可能に支持する一対の端部キャップ６１とを装着する。最後に、定着ベルト３０と反射板３５との隙間にヒーター３３を挿入して、図５に示すように定着ベルト３０内に配置される各部材の組み立てが完了する。

図５のように、ヒーター３３の両端部に端部過昇温防止キャップ５７を装着した場合、ヒーター３３からの輻射熱による定着ベルト３０の幅方向端部の過昇温が抑制される反面、端部過昇温防止キャップ５７内で熱が籠り、ヒーター３３の両端部の温度が上昇する。

ヒーター３３のシール部３３ｂに用いられるモリブデン箔５０（図４参照）は、完全に外部の空気と遮断されているわけではなく、シール部３３ｂを封止している石英ガラスと外部リード棒５３との微細な隙間を通して空気に接触している。モリブデンは非常に酸化しやすい性質があり、３５０℃程度の高温になるとモリブデン箔５０の酸化が始まり、モリブデン箔５０の体積が増加する。そして、シール部３３ｂを封止する石英ガラスがモリブデン箔５０の体積増加に耐え切れなくなった時点でシール部３３ｂの破損が起こり、モリブデン箔５０も切れてしまう。

そこで、本実施形態では、端部過昇温防止キャップ５７の形状を工夫することによってヒーター３３のシール部３３ｂ付近の温度上昇を抑制している。図６及び図７は、それぞれ端部過昇温防止キャップ５７が装着されたヒーター３３の端部周辺の斜視図及び側面図であり、図８は、端部過昇温防止キャップ５７が装着されたヒーター３３の端部周辺の側面断面図である。なお、図６〜図８ではヒーター３３の一端部（図５の左端部）周辺の構成について示しているが、ヒーター３３の他端部（図５の右端部）周辺の構成についても同様である。

図６〜図８に示すように、端部過昇温防止キャップ５７は金属製であり、ビス６３によって支持ステー３７の側面に固定されている。また、端部過昇温防止キャップ５７のシール部３３ｂに対向する部分には第１開口部５９が形成されている。

端部リング６０は、定着ベルト３０の幅方向外側に一対配置されている。一対の端部リング６０の間隔は定着ベルト３０の幅方向寸法と略同一に設定されており、定着ベルト３０の側端縁がいずれか一方の端部リング６０に当接することで定着ベルト３０の寄り（蛇行）を防止する。

端部キャップ６１は、耐熱性を有する樹脂製であり、定着装置１５のハウジング側板１５ａに固定される本体部６１ａと、定着ベルト３０の幅方向において本体部６１ａの内側に形成され、定着ベルト３０を摺動可能に支持するベルト支持部６１ｂと、本体部６１ａとベルト支持部６１ｂとの間に形成され、端部リング６０を回転可能に支持する溝状のリング支持部６１ｃとを有する。本体部６１ａには、端部キャップ６１をハウジング側板１５ａにビス固定するためのビス穴６５が形成されている。また、本体部６１ａ及びリング支持部６１ｃには、ヒーター３３の上部に対向する部分に第２開口部６７が形成されている。

端部過昇温防止キャップ５７に第１開口部５９を形成することにより、ヒーター３３のシール部３３ｂ周辺に熱が籠り難くなり、シール部３３ｂの温度上昇が抑制されるため、シール部３３ｂ内に配置されるモリブデン箔５０の酸化に伴う体積増加も抑制される。従って、シール部３３ｂの破損を効果的に抑制することができ、ヒーター３３の耐用年数も延ばすことができる。

また、第１開口部５９によって端部過昇温防止キャップ５７と樹脂製の端部キャップ６１との間に隙間が形成されるため、５００℃程度まで上昇する端部過昇温防止キャップ５７の熱が端部キャップ６１に伝導し難くなる。その結果、端部キャップ６１の温度が下がるため、端部キャップ６１の材質として高価な耐熱性樹脂を使用する必要がなくなり、コストダウンにもつながる。

なお、シール部３３ｂはヒーター３３の発熱部３３ａ（発光領域Ｒ）の外側にあるため、端部過昇温防止キャップ５７のシール部３３ｂに対向する部分に開口部５７ａが形成されていても定着ベルト３０の温度上昇を懸念する必要はない。

さらに、端部キャップ６１のヒーター３３に対向する部分に第２開口部６７を形成することにより、シール部３３ｂ周辺により一層熱が籠り難くなる。図９は、図８における第１開口部５９、第２開口部６７周辺の部分拡大図である。図９に示すように、第２開口部６７は第１開口部５９と連通するように形成されており、図９の白矢印で示すように、シール部３３ｂ周辺の熱気を第１開口部５９及び第２開口部６７を介してハウジング側板１５ａの外側に逃がすことができる。

ここで、端部キャップ６１のベルト支持部６１ｂは変形し易い定着ベルト３０の内周面を全周に亘って支持する機能が必要である。一方、リング支持部６１ｃは一部が欠損していても端部リング６０を回転可能に支持することができる。そのため、第２開口部６７はベルト支持部６１ｂの外周面には形成されておらず、定着ベルト３０の幅方向においてベルト支持部６１ｂの外周面よりも外側の部分、即ち、本体部６１ａとリング支持部６１ｃとに跨って形成される。

その他本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態で示した定着ベルト３０、加圧ローラー３１、支持ステー３７、ニップ板３９等の構成は好ましい一例であり、本発明の目的を達成可能な他の構成を採用することもできる。

また、本発明は図１に示したようなモノクロプリンターに限らず、カラープリンター、モノクロ及びカラー複写機、デジタル複合機、或いはファクシミリ等、ベルト定着方式の定着装置を備えた他のタイプの画像形成装置にも適用できるのはもちろんである。

本発明は、加熱した定着ベルトと加圧部材とで形成される定着ニップ部に、未定着トナー画像を担持した用紙を挿入して未定着トナーを加熱、溶融し、用紙に定着するベルト定着方式の定着装置に利用可能である。本発明の利用により、定着ベルトの非通紙領域の過昇温を抑制するとともに、定着ベルトの内側に配置されるヒーターの破損も防止可能な定着装置を提供することができる。

１５ 定着装置
３０ 定着ベルト
３１ 加圧ローラー（加圧部材）
３１ａ 基体
３１ｂ 弾性層
３３ ヒーター
３３ａ 発熱部
３３ｂ シール部
３５ 反射板
３７ 支持ステー
３９ ニップ板（保持部材）
４０ 摺動シート
４１ フィラメント
４３ バルブ
５７ 端部過昇温防止キャップ（端部過昇温防止部材）
５９ 第１開口部
６０ 端部リング
６１ 端部キャップ
６１ａ 本体部
６１ｂ ベルト支持部
６１ｃ リング支持部
６７ 第２開口部
１００ 画像形成装置

Claims (5)

1. 記録媒体の搬送速度と略等速で回動可能な無端状の定着ベルトと、
   該定着ベルトの内側に配置され輻射熱によって前記定着ベルトを加熱するヒーターと、
   前記定着ベルトの内側に配置され前記定着ベルトの内周面と摺動する保持部材と、
   前記定着ベルトを挟んで前記保持部材に所定の圧力で圧接されることで前記定着ベルトとの間に定着ニップ部を形成する加圧部材と、
   を備え、前記定着ニップ部に記録媒体を挿通させて記録媒体上に担持された未定着トナー像を定着する定着装置において、
   前記ヒーターは、封入ガスとフィラメントとが封入された発熱部と、該発熱部の両端を封止するシール部と、を有し、
   前記ヒーターの両端部には、前記定着ベルトの幅方向両端部へ向かう輻射熱を遮断する端部過昇温防止部材が装着されており、
   前記端部過昇温防止部材は、前記ヒーターの前記シール部に対向する部分に第１開口部が形成されることを特徴とする定着装置。
2. 前記定着ベルトの幅方向両端部には、それぞれ前記定着ベルトの蛇行を防止する端部リングと、該端部リングを回転可能に支持する端部キャップとが配置されており、
   前記第１開口部によって前記端部キャップと前記端部過昇温防止部材との間に隙間が形成されることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記端部キャップには、前記第１開口部に連通する第２開口部が形成されることを特徴とする請求項２に記載の定着装置。
4. 前記端部キャップは、前記定着ベルトの幅方向両端部を摺動可能に支持するベルト支持部と、前記定着ベルトの幅方向において前記ベルト支持部の外側に形成され前記端部リングを回転可能に支持するリング支持部と、を有し、
   前記第２開口部は、前記定着ベルトの幅方向において前記ベルト支持部よりも外側に形成されることを特徴とする請求項３に記載の定着装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の定着装置を備えた画像形成装置。

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