JP6361269B2 - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、定着装置および該定着装置を搭載した複写機、プリンタ、ファクシミリ、又はそれらの少なくとも2つの機能を有する複合機等の画像形成装置に関するものである。
プリンタ・複写機・ファクシミリなどの画像形成装置に対し、近年、省エネルギー化・高速化についての市場要求が強くなってきている。
画像形成装置では、電子写真記録・静電記録・磁気記録等の画像形成プロセスにより、未定着トナー画像が、画像転写方式もしくは直接方式により記録材シート・印刷紙・感光紙・静電記録紙などの記録材に形成される。未定着トナー画像を定着させるための定着装置としては、熱ローラ方式、フィルム加熱方式、電磁誘導加熱方式等の接触加熱方式の定着装置が広く採用されている。
このような定着装置における近年の課題としては以下のようなものがある。
・電源投入時などに常温状態から印刷可能な所定の温度(リロード温度)に達するまでに要する時間であるウォームアップ時間や、印刷要求を受けた後に印刷準備を経て印字動作を行い排紙が完了するまでの時間であるファーストプリント時間の更なる短縮化(課題1)。
・画像形成装置の高速化に伴い、単位時間当たりの通紙枚数が増え、必要熱量が増大しているため、特に連続印刷のはじめに熱量が不足する、所謂温度落ち込みの問題(課題2)。
以上のような課題を解決するために、本願出願人は、低熱容量の無端ベルトを(金属熱伝導体を介さずに)直接加熱する構成とし、高生産の画像形成装置に搭載されても、良好な定着性を得ることができるようにした定着装置を提案している。
しかし、低熱容量の無端ベルトを用いた定着構成の場合、通紙時の長手方向の温度分布を均一に保つことが難しかった。すなわち小サイズの記録体が通過する領域(通紙領域)では、記録体(記録用紙及び記録体上の未定着トナー)の加熱のために熱が消費されるが、非通紙領域では記録体により熱が奪われないので、加熱ローラとベルトに熱が蓄積し、この非通紙領域のニップ部の温度が、所定温度に維持管理される通紙領域のニップ部温度よりも高くなってしまうという、いわゆる端部温度上昇が発生することが知られている。
この端部温度上昇の問題に対し、定着ベルトに圧接するニップ形成部材の一部を均熱部材とし、熱移動・吸熱能力を高めることで端部温度上昇の防止を図るようにしたものが提案されている。
特開2004−235001号公報(特許文献1)には、定着部材を低熱容量の耐熱フィルムとし、定着ニップ部の下流側に均熱体を配設した定着装置が開示されている。
しかしながら、均熱部材を用いた構成は、端部温度上昇を防止するトレードオフとして、定着立上げ時に端部の温度が中央部に比べ低くなるという課題があった。
そこで本発明は、端部温度上昇の発生を防止できるとともに、立ち上げ時における端部温度の低下を抑制することのできる定着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、本発明は、回転可能な無端状の定着部材と、前記定着部材を加熱する加熱源と、前記定着部材の内側に配設されたニップ形成部材と、前記定着部材を挟んで前記ニップ形成部材に圧接されて定着ニップを形成する加圧部材とを備え、未定着画像を担持する記録媒体を前記定着ニップに通過させることにより記録媒体上の未定着画像を定着させる定着装置において、前記ニップ形成部材は、基材層と、該基材層の前記定着ニップ側表層に設けられ該基材層よりも熱伝導率が高い高熱伝導層を有し、前記高熱伝導層は、定着部材軸方向の端部付近に開口部を具備し、前記基材層は、前記高熱伝導層の定着部材軸方向の端部付近において低熱伝導部を形成するとともに、前記開口部から露出し、前記ニップ形成部材の表面を形成することを特徴とする。
また、回転可能な無端状の加圧回転体と、前記加圧回転体の内側に配設されたニップ形成部材と、前記加圧回転体を介して前記ニップ形成部材と当接することにより加圧回転体との間に定着ニップを形成する定着部材と、前記定着部材を加熱する加熱源とを備え、未定着画像を担持する記録媒体を前記定着ニップに通過させることにより記録媒体上の未定着画像を定着させる定着装置において、前記ニップ形成部材は、基材層と、該基材層の前記定着ニップ側表層に設けられ該基材層よりも熱伝導率が高い高熱伝導層を有し、前記高熱伝導層は、定着部材軸方向の端部付近に開口部を具備し、前記基材層は、前記高熱伝導層の定着部材軸方向の端部付近において低熱伝導部を形成するとともに、前記開口部から露出し、前記ニップ形成部材の表面を形成する構成としてもよい。
本発明によれば、小サイズ用紙を連続通紙した場合にその通紙領域の端部付近あるいは非通紙領域で温度が上昇したとしても、その熱は高熱伝導層(均熱層)により長手方向(用紙幅方向)に効率良く移動・拡散され、熱が表面に蓄積されにくくなる。したがって連続通紙時のいわゆる端部温度上昇を効果的に抑制することができる。同時に、長手方向の端部付近に低熱伝導部が存在していることにより、端部への熱逃げが制限されることとなり、定着立上げ時における端部温度低下を抑制することが可能となる。
本発明の実施の一形態に係る画像形成装置の全体構成を示す概略図である。 定着装置の一実施形態を示す断面図である。 ニップ形成部材の構成を示す図である。 ニップ形成部材の分解図である。 ニップ形成部材の異なる構成例を示す図である。 その分解図である。 ニップ形成部材の層構造を示す図である。 小サイズ用紙を連続通紙した場合のニップ部温度を示すグラフである。 大サイズ用紙を通紙した立ち上げ時のニップ部温度を示すグラフである。 ニップ形成部材の具体的な形状を示す3面図である。 ニップ形成部材の第2実施例の層構造を示す図である。 定着装置の第2実施形態を示す概略構成図である。 定着装置の第3実施形態を示す概略構成図である。
以下、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の実施の一形態に係る画像形成装置の全体構成を示す概略図である。
ここに示した画像形成装置1は、カラーレーザープリンタであり、その装置本体の中央には、4つの作像部4Y、4M、4C、4Kが設けられている。各作像部4Y、4M、4C、4Kは、カラー画像の色分解成分に対応するイエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(K)の異なる色の現像剤を収容している以外は同様の構成となっている。
具体的に、各作像部4Y、4M、4C、4Kは、潜像担持体としてのドラム状の感光体5と、感光体5の表面を帯電させる帯電装置6と、感光体5の表面にトナーを供給する現像装置7と、感光体5の表面をクリーニングするクリーニング装置8などを備える。なお、図1では、ブラックの作像部4Kが備える感光体5、帯電装置6、現像装置7、クリーニング装置8のみに符号を付しており、その他の作像部4Y、4M、4Cにおいては符号を省略している。
各作像部4Y、4M、4C、4Kの下方には、感光体5の表面を露光する露光装置9が配設されている。露光装置9は、光源、ポリゴンミラー、f−θレンズ、反射ミラー等を有し、画像データに基づいて各感光体5の表面へレーザー光を照射するようになっている。
各作像部4Y、4M、4C、4Kの上方には、転写装置3が配設されている。転写装置3は、転写体としての中間転写ベルト30と、一次転写手段としての4つの一次転写ローラ31と、二次転写手段としての二次転写ローラ36とを備える。さらに、転写装置3は二次転写バックアップローラ32と、クリーニングバックアップローラ33と、テンションローラ34、ベルトクリーニング装置35を備えている。
中間転写ベルト30は、無端状のベルトであり、二次転写バックアップローラ32、クリーニングバックアップローラ33及びテンションローラ34によって張架されている。ここでは、二次転写バックアップローラ32が回転駆動することによって、中間転写ベルト30は図の矢印で示す方向に周回走行(回転)するようになっている。
4つの一次転写ローラ31は、それぞれ、各感光体5との間で中間転写ベルト30を挟み込んで一次転写ニップを形成している。また、各一次転写ローラ31には、図示しない電源が接続されており、所定の直流電圧(DC)及び/又は交流電圧(AC)が各一次転写ローラ31に印加されるようになっている。
二次転写ローラ36は、二次転写バックアップローラ32との間で中間転写ベルト30を挟み込んで二次転写ニップを形成している。また、一次転写ローラ31と同様に、二次転写ローラ36にも図示しない電源が接続されており、所定の直流電圧(DC)及び/又は交流電圧(AC)が二次転写ローラ36に印加されるようになっている。
ベルトクリーニング装置35は、中間転写ベルト30に当接するように配設されたクリーニングブラシとクリーニングブレードを有する。このベルトクリーニング装置35から伸びた図示しない廃トナー移送ホースは、図示しない廃トナー収容器の入り口部に接続されている。
プリンタ本体の上部には、ボトル収容部2が設けられており、ボトル収容部2には補給用のトナーを収容した4つのトナーボトル2Y、2M、2C、2Kが着脱可能に装着されている。各トナーボトル2Y、2M、2C、2Kと上記各現像装置7との間には、図示しない補給路が設けてあり、この補給路を介して各トナーボトル2Y、2M、2C、2Kから各現像装置7へトナーが補給されるようになっている。
一方、プリンタ本体の下部には、記録媒体としての用紙Pを収容した給紙トレイ10や、給紙トレイ10から用紙Pを搬出する給紙ローラ11等が設けてある。ここで、記録媒体には、普通紙以外に、厚紙、はがき、封筒、薄紙、塗工紙(コート紙やアート紙等)、トレーシングペーパ、OHPシート等が含まれる。また、図示しないが、手差し給紙機構が設けてあってもよい。
プリンタ本体内には、用紙Pを給紙トレイ10から二次転写ニップを通過させて装置外へ排出するための搬送路Rが配設されている。搬送路Rにおいて、二次転写ローラ36の位置よりも用紙搬送方向上流側には、二次転写ニップへ用紙Pを搬送する搬送手段としての一対のレジストローラ12が配設されている。
また、二次転写ローラ36の位置よりも用紙搬送方向下流側には、用紙Pに転写された未定着画像を定着するための定着装置20が配設されている。さらに、定着装置20よりも搬送路Rの用紙搬送方向下流側には、用紙を装置外へ排出するための一対の排紙ローラ13が設けられている。また、プリンタ本体の上面部には、装置外に排出された用紙をストックするための排紙トレイ14が設けてある。
続いて、図1を参照して、本実施形態に係るプリンタの基本的動作について説明する。
作像動作が開始されると、各作像部4Y、4M、4C、4Kにおける各感光体5が図示しない駆動装置によって図の時計回りに回転駆動され、各感光体5の表面が帯電装置6によって所定の極性に一様に帯電される。帯電された各感光体5の表面には、露光装置9からレーザー光がそれぞれ照射されて、各感光体5の表面に静電潜像が形成される。このとき、各感光体5に露光する画像情報は所望のフルカラー画像をイエロー、マゼンタ、シアン及びブラックの色情報に分解した単色の画像情報である。このように各感光体5上に形成された静電潜像に、各現像装置7によってトナーが供給されることにより、静電潜像はトナー画像として顕像化(可視像化)される。
また、作像動作が開始されると、二次転写バックアップローラ32が図の反時計回りに回転駆動し、中間転写ベルト30を図の矢印で示す方向に周回走行させる。そして、各一次転写ローラ31に、トナーの帯電極性と逆極性の定電圧又は定電流制御された電圧が印加される。これにより、各一次転写ローラ31と各感光体5との間の一次転写ニップにおいて転写電界が形成される。
その後、各感光体5の回転に伴い、感光体5上の各色のトナー画像が一次転写ニップに達したときに、上記一次転写ニップにおいて形成された転写電界によって、各感光体5上のトナー画像が中間転写ベルト30上に順次重ね合わせて転写される。かくして中間転写ベルト30の表面にフルカラーのトナー画像が担持される。また、中間転写ベルト30に転写しきれなかった各感光体5上のトナーは、クリーニング装置8によって除去される。その後、図示しない除電装置によって各感光体5の表面が除電され、表面電位が初期化される。
画像形成装置の下部では、給紙ローラ11が回転駆動を開始し、給紙トレイ10から用紙Pが搬送路Rに送り出される。搬送路Rに送り出された用紙Pは、レジストローラ12によってタイミングを計られて、二次転写ローラ36と二次転写バックアップローラ32との間の二次転写ニップに送られる。このとき二次転写ローラ36には、中間転写ベルト30上のトナー画像のトナー帯電極性と逆極性の転写電圧が印加されており、これにより、二次転写ニップに転写電界が形成されている。
その後、中間転写ベルト30の周回走行に伴って、中間転写ベルト30上のトナー画像が二次転写ニップに達したときに、そのニップにおいて形成された転写電界によって、中間転写ベルト30上のトナー画像が用紙P上に一括して転写される。また、このとき用紙Pに転写しきれなかった中間転写ベルト30上の残留トナーは、ベルトクリーニング装置35によって除去され、除去されたトナーは図示しない廃トナー収容器へと搬送され回収される。
その後、用紙Pは定着装置20へと搬送され、定着装置20によって用紙P上のトナー画像が当該用紙Pに定着される。そして、用紙Pは、排紙ローラ13によって装置外へ排出され、排紙トレイ14上にストックされる。
以上の説明は、用紙上にフルカラー画像を形成するときの画像形成動作であるが、4つの作像部4Y、4M、4C、4Kのいずれか1つを使用して単色画像を形成したり、2つ又は3つの作像部を使用して、2色又は3色の画像を形成したりすることも可能である。
図2は、上記定着装置20の一実施形態を示す断面図である。
図2において、定着装置20は、回転可能な定着回転体としての定着ベルト21と、定着ベルト21に対向して回転可能に設けられた対向回転体としての加圧ローラ22と、定着ベルト21を加熱する加熱源としてのハロゲンヒータ23と、定着ベルト21の内側に配設されたニップ形成部材24と、ニップ形成部材24を支持する支持部材としてのステー25と、ハロゲンヒータ23から放射される光を定着ベルト21へ反射する反射部材26と、定着ベルト21の温度を検知する温度検知手段としての温度センサ27と、定着ベルト21から用紙を分離する分離部材28と、加圧ローラ22を定着ベルト21へ加圧する図示しない加圧手段等を備えている。
上記定着ベルト21は、薄肉で可撓性を有する無端状のベルト部材(フィルムも含む)で構成されている。詳しくは、定着ベルト21は、ニッケルもしくはSUS等の金属材料又はポリイミド(PI)などの樹脂材料で形成された内周側の基材と、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(PFA)又はポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などで形成された外周側の離型層によって構成されている。また、基材と離型層との間に、シリコーンゴム、発泡性シリコーンゴム、又はフッ素ゴム等のゴム材料で形成された弾性層を介在させてもよい。
上記加圧ローラ22は、芯金22aと、芯金22aの表面に設けられた発泡性シリコーンゴム、シリコーンゴム、又はフッ素ゴム等から成る弾性層22bと、弾性層22の表面に設けられたPFA又はPTFE等から成る離型層22cによって構成されている。加圧ローラ22は、図示しない加圧手段によって定着ベルト21側へ加圧され定着ベルト21を介してニップ形成部材24に当接している。この加圧ローラ22と定着ベルト21とが圧接する箇所では、加圧ローラ22の弾性層22bが押しつぶされることで、所定の幅のニップ部Nが形成されている。また、加圧ローラ22は、プリンタ本体に設けられた図示しないモータ等の駆動源によって回転駆動するように構成されている。加圧ローラ22が回転駆動すると、その駆動力がニップ部Nで定着ベルト21に伝達され、定着ベルト21が従動回転するようになっている。
本実施形態では、加圧ローラ22を中実のローラとしているが、中空のローラであってもよい。その場合、加圧ローラ22の内部にハロゲンヒータ等の加熱源を配設してもよい。また、弾性層が無い場合は、熱容量が小さくなり定着性が向上するが、未定トナーを押しつぶして定着させるときにベルト表面の微小な凹凸が画像に転写されて画像のベタ部に光沢ムラが生じる可能性がある。これを防止するには、厚さ100μm以上の弾性層を設けることが望ましい。厚さ100μm以上の弾性層を設けることで、弾性層の弾性変形により微小な凹凸を吸収することができるので、光沢ムラの発生を回避することができるようになる。弾性層22bはソリッドゴムでもよいが、加圧ローラ22の内部に加熱源が無い場合は、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21の熱が奪われにくくなるのでより望ましい。また、定着回転体と対向回転体は、互いに圧接する場合に限らず、加圧を行わず単に接触させるだけの構成とすることも可能である。
上記ハロゲンヒータ23は、両端部が定着装置20の側板(不図示)に固定されている。ハロゲンヒータ23は、プリンタ本体に設けられた電源部により出力制御されて発熱するように構成されており、その出力制御は、上記温度センサ27による定着ベルト21の表面温度の検知結果に基づいて行われる。このようなヒータ23の出力制御によって、定着ベルト21の温度(定着温度)を所望の温度に設定できるようになっている。また、定着ベルト21を加熱する加熱源として、ハロゲンヒータ以外に、IH、抵抗発熱体、又はカーボンヒータ等を用いてもよい。
上記ニップ形成部材24は、定着ベルト21の軸方向又は加圧ローラ22の軸方向に渡って長手状に配設され、ステー25によって固定支持されている。これにより、加圧ローラ22による圧力でニップ形成部材24に撓みが生じるのを防止し、加圧ローラ22の軸方向に渡って均一なニップ幅が得られるようにしている。なお、ステー25は、ニップ形成部材24の撓み防止機能を満足するために、ステンレスや鉄等の機械的強度が高い金属材料で形成することが望ましいが、ステー25を樹脂製とすることも可能である。
また、ニップ形成部材24は、耐熱温度200℃以上の耐熱性部材で構成されている。これにより、トナー定着温度域で、熱によるニップ形成部材24の変形を防止し、安定したニップ部Nの状態を確保して、出力画質の安定化を図っている。また、ニップ形成部材24は、その表面に低摩擦シート24aを有している。定着ベルト21が回転する際、この低摩擦シート24aに対し定着ベルト21が摺動することで、定着ベルト21に生じる駆動トルクが低減され、定着ベルト21への摩擦力による負荷が軽減される。
上記反射部材26は、ステー25とハロゲンヒータ23との間に配設されている。本実施形態では、反射部材26をステー25に固定している。また、反射部材26は、ハロゲンヒータ23によって直接加熱されるため、高融点の金属材料等で形成されることが望ましい。このように反射部材26を配設していることにより、ハロゲンヒータ23からステー25側に放射された光が定着ベルト21へ反射される。これにより、定着ベルト21に照射される光量を多くすることができ、定着ベルト21を効率良く加熱することが可能となる。また、ハロゲンヒータ23からの輻射熱がステー25等に伝達されるのを抑制することができるので、省エネルギー化も図れる。
また、本実施形態のような反射部材26を設けずに、ステー25のハロゲンヒータ23側の面を研磨又は塗装などの鏡面処理をし、反射面を形成してもよい。また、上記反射部材26又はステー25の反射面の反射率は、90%以上であることが望ましい。
ただ、ステー25はその強度を確保するために形状や材質が自由に選択できないため、本実施形態のように反射部材26を別途設けた方が、形状や材質の選択の自由度が広がり、反射部材26とステー25はそれぞれの機能に特化することができる。また、反射部材26をハロゲンヒータ23とステー25との間に設けることにより、ハロゲンヒータ23に対する反射部材26の位置が近くなるので、定着ベルト21を効率良く加熱することが可能となる。
また、本実施形態に係る定着装置20は、さらなる省エネ性及びファーストプリントタイムなどの向上のために、種々の構成上の工夫が施されている。
具体的には、ハロゲンヒータ23によって定着ベルト21をニップ部N以外の箇所において直接加熱できるようにしている(直接加熱方式)。本実施形態では、ハロゲンヒータ23と定着ベルト21の図2の左側の部分の間に何も介在させないようにし、その部分においてハロゲンヒータ23からの輻射熱を定着ベルト21に直接与えるようにしている。
また、定着ベルト21の低熱容量化を図るために、定着ベルト21を薄くかつ小径化している。具体的には、定着ベルト21を構成する基材、弾性層、離型層のそれぞれの厚さを、20〜50μm、100〜300μm、10〜50μmの範囲に設定し、全体としての厚さを1mm以下に設定している。また、定着ベルト21の直径は、20〜40mmに設定している。さらに低熱容量化を図るためには、望ましくは、定着ベルト21全体の厚さを0.2mm以下にするのがよく、さらに望ましくは、0.16mm以下の厚さとするのがよい。また、定着ベルト21の直径は、30mm以下とするのが望ましい。
なお、本実施形態では、加圧ローラ22の直径を20〜40mmに設定しており、定着ベルト21の直径と加圧ローラ22の直径を同等となるように構成している。ただし、この構成に限定されるものではない。例えば、定着ベルト21の直径が加圧ローラ22の直径よりも小さくなるように形成してもよい。その場合、ニップ部Nにおける定着ベルト21の曲率が加圧ローラ22の曲率よりも小さくなるため、ニップ部Nから排出される記録媒体が定着ベルト21から分離されやすくなる。
図3は、ニップ形成部材24の構成を示す図で、図4はその分解図である。なお、図3,4は、ニップ形成部材24を用紙搬送方向から見た正面断面図(断面域は、図2のニップ部Nの略中央(センサ27と加熱源23を結んだ延長線))であり、図の左右方向が長手方向(加圧ローラ軸方向)であり、また、図の上方がニップ側、下方がステー25側となっている。
図3,4に示すニップ形成部材24は、基材241と、ニップ側高熱伝導部材242と、ステー側高熱伝導部材243と、内部高熱伝導部材244で構成されている。
基材241は、図4に分解して示すように、中央部材241C,2つの端部部材241T,2つの接続部材241Sからなっている。基材241としては、ポリエーテルサルフォン(PES)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、液晶ポリマー(LCP)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などの一般的な耐熱性樹脂を好適に用いることが可能である。
ニップ側高熱伝導部材242は、ニップ形成部材24のニップ側の面を覆うように配置された高熱伝導部材であり、銅(Cu)やアルミニウム(Al)等の熱伝導率の高い金属材を好適に用いることができる。実施形態では銅(Cu)を用いている。ニップ側高熱伝導部材242は、ニップ形成部材24の最もニップ側に配置された部材であり、定着部材(実施形態では定着ベルト21)からの熱を直に(より詳細には、本実施例においては低摩擦シート24aを介して)受ける部材であるが、銅(Cu)やアルミニウム(Al)等の熱伝導率の高い金属材であるニップ側高熱伝導部材242を用紙幅方向に配設して備えることにより、例えば小サイズ用紙を連続通紙した場合に非通紙領域で定着部材温度が上昇したとしても、その熱を長手方向(用紙幅方向)に効率良く移動・拡散させることができ、いわゆる端部温度上昇を抑制することができる。
本例のニップ側高熱伝導部材242には、長手方向の両側端部付近に貫通穴242a,242aが形成されており、基材241の端部部材241Tに設けられている凸部241aが貫通穴242aに嵌め込まれ、これによりニップ形成部材24のニップ側の全面(表面)が平面となるように構成されている。
ステー側高熱伝導部材243は、ステー25(図2)に接触するようにニップ形成部材24のニップと反対側の面に配置された高熱伝導部材であり、ニップ側高熱伝導部材242と同じく銅(Cu)やアルミニウム(Al)等の熱伝導率の高い金属材を好適に用いることができる。
内部高熱伝導部材244は、ステー側高熱伝導部材243と基材241(本例では接続部材241S)の間に配置された高熱伝導部材であり、他の高熱伝導部材と同じく銅(Cu)やアルミニウム(Al)等の熱伝導率の高い金属材を好適に用いることができる。長手方向(定着ベルト回転軸方向)における内部高熱伝導部材244の位置は、小サイズ用紙(例えばA5縦)を通紙した場合の用紙端部に対応するよう配置されており、内部高熱伝導部材244の中央側(長手方向の中央側)の端部が小サイズ用紙(例えばA5縦)通紙領域の端部と重なる(オーバーラップする)ように配置されている。このように配置された内部高熱伝導部材244により、小サイズ用紙を連続通紙した場合にその通紙領域の端部付近で温度上昇が生じた場合でも、その熱を効率良くステー側高熱伝導部材243に伝達して、長手方向(用紙幅方向)およびニップ形成部材24の厚さ方向に拡散・吸熱させる。
なお、内部高熱伝導部材244を配置するために、その部分で基材241の厚さ(図の上下方向)を薄くしており、図示例では接続部材241Sと内部高熱伝導部材244を重ねた厚さが基材の中央部材241Cと等しくなるように設けている。
ところで、各高熱伝導部材は、全て厚みが大きければ大きい(厚い)ほど端部温度上昇を防止する効果も大きくなるが、厚くなりすぎるとウォーミングアップが遅くなり、またエネルギー効率も低下する。そのため、本実施形態では、ステー側高熱伝導部材243の厚さを2mm、内部高熱伝導部材244の厚さを1.5mm、ニップ側高熱伝導部材242の厚さを0.6mmとしている。また、基材241は、接続部材241Sの厚さが1mmであり、中央部材241Cの厚さは、接続部材241Sの厚さ+内部高熱伝導部材244の厚さである2.5mmとしている。基材の凸部241aの厚さ(凸部だけの厚さ)は、ニップ側高熱伝導部材242の厚さと同じ0.6mmである。
また、ニップ側高熱伝導部材242は、軸方向(長手方向=用紙幅方向=図の左右方向)の長さが344mmであり、端部から8.5mmの位置に幅(軸方向の長さ)7.0mmの貫通穴242aを設けている。貫通穴242aの中央側の端部、すなわち基材241の凸部241aの中央側の端部は、通紙可能な最大サイズの通紙領域の外側端部よりも外側(端部側)に位置するように設けられている。
なお、図では厚さ方向を長さ方向に対して誇張して描いている。また、図3,4はニップ形成部材24の構成を説明するための模式図であり、長さ方向を含め、各部材の寸法は、実部材をそのまま縮小したものとは異なって図示している。ニップ形成部材24の具体的な形状は図10に示す。
図3,4の構成では、基材241を複数部材に分割し、また、内部高熱伝導部材244を設けた構成となっているが、基材や各高熱伝導部材は、それぞれが分割された板形状の部材を用いたり、凸部や凹部を有する一体の部材であっても良い。図5にニップ形成部材24の異なる構成例を示す。なお、図6は、その分解図である。
図5,6に示す構成例では、基材241が一つの部材で構成されており、凸部241aと凹部241bを有する形状となっている。また、図4における内部高熱伝導部材244を省略し、これに相当する凸部243aを有する一部材のステー側高熱伝導部材243を用いている。凸部243aは凹部241bにぴったりと嵌まり合う形状となっている。ニップ側高熱伝導部材242は図3,4のものと同じである。各部材を合体させたニップ形成部材24は、図3,4のニップ形成部材24と全く同一の外形となる。各部材の作用も同じである。
上記のように構成された本実施形態の定着装置において、ニップ形成部材24は、図7に示すように、ニップ側から第1の高熱伝導層(均熱層)(ニップ側均熱層=第1の均熱層)、基材層、第2の高熱伝導層(均熱層)(ステー側均熱層=第2の均熱層)の3層構造となっている。
ニップ側高熱伝導層は、大部分がニップ側高熱伝導部材242から構成されており(一部に基材241の凸部241aが嵌合されている)、熱伝導率が高い(基材層よりも熱伝導率が高い)層であって、ニップ形成部材24の最表層(ニップ側)に設けられて定着ニップ(定着部材)からの熱を長手方向(軸方向)に均熱化させる部分(均熱層)である。
ここで、ニップ側高熱伝導層は、その一部に基材の凸部241aが嵌合されていることにより、長手方向(軸方向)における熱伝導率は一様ではなく、長手方向(軸方向)の端部付近に低熱伝導部がある構成となっている。このような構成により、定着動作実行時において、小サイズ用紙を連続通紙した場合にその通紙領域の端部付近あるいは非通紙領域で温度が上昇するような場合であっても、その熱は均熱層により長手方向(用紙幅方向)に効率良く移動・拡散され、熱が表面に蓄積されにくくなる。したがって連続通紙時のいわゆる端部温度上昇を効果的に抑制することができる。同時に、長手方向(軸方向)の端部付近に低熱伝導部が存在していることにより、端部(通紙領域端部)への熱逃げが制限されることとなり、定着立上げ時における端部温度低下を抑制することが可能となる。
図8は、小サイズ用紙を連続通紙した場合のニップ部温度を示すグラフで、縦軸は温度、横軸は長手方向(軸方向)の位置を示す。また、実線は発明の実施形態の定着装置によるもので、破線は従来構成の定着装置の一例によるものである。このグラフから分かるように、従来構成では小サイズ用紙の通紙領域の外側部分で温度上昇が発生しているのに対し、実施形態の定着装置では、小サイズ用紙通紙領域の外側部分での温度上昇が抑制されており、実機による確認実験では、5〜15degの温度低減効果を得られることが確認できた。
また、図9は、大サイズ用紙(通紙可能な最大サイズ、例えばA3縦)を通紙した立ち上げ時のニップ部温度を示すグラフで、縦軸は温度、横軸は長手方向(軸方向)の位置を示す。また、実線は発明の実施形態の定着装置によるもので、破線は従来構成の定着装置の一例によるものである。このグラフから分かるように、従来構成では通紙領域の端部付近で温度低下が発生しているのに対し、実施形態の定着装置では、同部分での温度低下が抑制されている。実機による確認実験では、5〜10degの温度持ち上げ効果を得られることが確認できた。
図10は、ニップ形成部材24の具体的な形状を示す3面図であり、(a)は斜視図、(b)は軸方向から見た側面図、(c)はニップ側から見た平面図である。上記したように、図示例ではニップ側高熱伝導部材242は、軸方向(長手方向=用紙幅方向)の長さが344mmであり、端部から8.5mmの位置に幅(軸方向の長さ)7.0mmの貫通穴242a(図4)を設けている。貫通穴242aの中央側の端部、すなわち基材241の凸部241aの中央側の端部は、通紙可能な最大サイズの通紙領域の外側端部よりも外側(端部側)に位置するように設けられている。
上記説明した実施形態では、ニップ形成部材24の最表層(ニップ側)となる高熱伝導層であるニップ側高熱伝導部材242に貫通穴242aを設けることで、高熱伝導層の長手方向(軸方向)における熱伝導率を一様でない(不均一とする)構成としていた。ただし、高熱伝導層の長手方向(軸方向)における熱伝導率を不均一とする構成はこれに限定されるものではなく、適宜な構成を採用可能である。
図11は、ニップ形成部材24の第2実施例を示す。
この第2実施例では、ニップ側高熱伝導部材242に貫通穴ではなく凹部を設け、その凹部に対応するよう基材241の凸部241aの高さを第1実施例(図3,4)よりも低くして、基材241の凸部241aをニップ側高熱伝導部材242の凹部に嵌合させたものである。他の構成は先に説明した第1実施例(図3,4)と同じである。また、図5,6で説明したように、基材241を一体の部材に、また、内部高熱伝導部材244を省略してステー側高熱伝導部材243に凸部を設けても良い。
図11の構成においても、ニップ形成部材24の最表層(ニップ側)となる高熱伝導層は、その一部に基材の凸部241aが嵌合されていることにより、長手方向(軸方向)における熱伝導率は一様ではなく、長手方向(軸方向)の端部付近に低熱伝導部がある構成となっている。このような構成により、定着動作実行時において、小サイズ用紙を連続通紙した場合にその通紙領域の端部付近あるいは非通紙領域で温度が上昇するような場合であっても、その熱は高熱伝導層により長手方向(用紙幅方向)に効率良く移動・拡散され、熱が表面に蓄積されにくくなる。したがって連続通紙時のいわゆる端部温度上昇を効果的に抑制することができる。同時に、長手方向(軸方向)の端部付近に低熱伝導部が存在していることにより、端部(通紙領域端部)への熱逃げが制限されることとなり、定着立上げ時における端部温度低下を抑制することが可能となる。
なお、上記説明したニップ形成部材24は、ステー側にも基材層に対して高熱伝導率を有する高熱伝導層(第2の均熱層)を設けた構成であるが、ステー側の高熱伝導層を有さない構成も可能である。その場合、基材層がステー25に接触するように配置される。
図12は、定着装置の第2実施形態を示す概略構成図である。
この図に示す定着装置は、定着ベルト21の内部(ループ内)にニップ形成部材24を支持するためのステー25(支持部材)を設け、加圧ローラ22により圧力を受けるニップ形成部材24の撓みを防止し、軸方向で均一なニップ幅を得られるようにしている。このステー25は軸方向の両端部で図示しないフランジに保持固定され位置決めされている。また、加熱源であるハロゲンヒータ23とステー25の間に反射部材26を備え、ハロゲンヒータ23からの輻射熱などによりステー25等が加熱されてしまうことによる無駄なエネルギー消費を抑制している。ここで反射部材26を備える代わりにステー25の表面に断熱もしくは鏡面処理を行っても同様の効果を得ることが可能となる。反射部材26が無い領域では、ハロゲンヒータ23により定着ベルト21が直接加熱される。なお、第1実施形態同様、ニップ形成部材24の定着ベルト21との摺動面に低摩擦部材(低摩擦シート24aを設けてもよい。また、ステー25の位置決め固定は、上記したステー25端部のフランジでの保持固定に代えて、定着装置に設けられる図示しない側板(フレーム)により保持されるようにしても良い。
ハロゲンヒータ23は、小サイズに対応した長手方向中央部に発熱領域を有するものと、大サイズに対応して長手方向両端部に発熱領域を有するものとの、2本構成となっている。なお、熱源としては、図示したハロゲンヒータでも良いが、誘導加熱装置であっても良いし、抵抗発熱体、カーボンヒータ等であっても良い。
また、定着ベルト21の軸方向の両端部の外側には、スリップリング40が配置され、ベルトとの摺動性を良好な状態で定着ベルト21を保持している。また、加圧ローラ22には接触式の温度センサ29が設けられている。この接触式温度センサ29は、ローラ軸方向に2つ設けられ、それぞれ中央部と端部で温度を検知している。
ニップ形成部材24は、先に説明した第1実施形態のニップ形成部材24と同じであり、本第2実施形態の定着装置においても、小サイズ用紙を連続通紙した場合にその通紙領域の端部付近あるいは非通紙領域で温度が上昇するような場合であっても、その熱は高熱伝導層により長手方向(用紙幅方向)に効率良く移動・拡散され、熱が表面に蓄積されにくくなる。したがって連続通紙時のいわゆる端部温度上昇を効果的に抑制することができる。また同時に、長手方向(軸方向)の端部付近に低熱伝導部が存在していることにより、端部(通紙領域端部)への熱逃げが制限されることとなり、定着立上げ時における端部温度低下を抑制することが可能となる。
図13は、定着装置の第3実施形態を示す概略構成図である。
この図に示す定着装置120は、ニップ形成部材を加圧側に設けたものであり、回転可能な加圧回転体としての加圧ベルト122と、加圧ベルト122に対向して回転可能に設けられた定着部材としての定着ローラ121と、定着ローラ121を加熱する加熱源としてのハロゲンヒータ23と、加圧ベルト122の内側に配設されたニップ形成部材24と、ニップ形成部材24を支持する支持部材としてのステー125と、定着ローラ121の温度を検知する温度検知手段としての温度センサ27と、定着ローラ121から用紙を分離する分離部材28と、定着ローラ121を加圧ベルト122へ押圧する図示しない加圧手段等を備えている。
上記加圧ベルト122は、薄肉で可撓性を有する無端状のベルト部材(フィルムも含む)で構成されている。詳しくは、加圧ベルト122は、ニッケルもしくはSUS等の金属材料又はポリイミド(PI)などの樹脂材料で形成された内周側の基材と、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(PFA)又はポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などで形成された外周側の離型層によって構成されている。また、基材と離型層との間に、シリコーンゴム、発泡性シリコーンゴム、又はフッ素ゴム等のゴム材料で形成された弾性層を介在させてもよい。
上記定着ローラ121は、高熱伝導率のAl(アルミニウム)等の金属で作られたパイプ121aと、パイプ121aの表面に設けられた発泡性シリコーンゴム、シリコーンゴム、又はフッ素ゴム等から成る弾性層121bと、弾性層121bの表面に設けられたPFA又はPTFE等から成る離型層121cによって構成されている。定着ローラ121は、図示しない加圧手段によって加圧ベルト122側へ加圧され加圧ベルト122を介してニップ形成部材24に当接している。この定着ローラ121と加圧ベルト122とが圧接する箇所では、定着ローラ121弾性層121bが押しつぶされることで、所定の幅のニップ部Nが形成されている。また、定着ローラ121は、プリンタ本体に設けられた図示しないモータ等の駆動源によって回転駆動するように構成されている。定着ローラ121が回転駆動すると、その駆動力がニップ部Nで加圧ベルト122に伝達され、加圧ベルト122が従動回転するようになっている。
定着ローラに弾性層が無い場合は、熱容量が小さくなり定着性が向上するが、未定着トナーを押しつぶして定着させるときに定着ローラ表面の微小な凹凸が画像に転写されて画像のベタ部に光沢ムラが生じる可能性がある。これを防止するには、厚さ100μm以上の弾性層を設けることが望ましい。厚さ100μm以上の弾性層を設けることで、弾性層の弾性変形により微小な凹凸を吸収することができるので、光沢ムラの発生を回避することができるようになる。定着ローラと加圧ベルトは、互いに圧接する場合に限らず、加圧を行わず単に接触させるだけの構成とすることも可能である。
上記ハロゲンヒータ23は、両端部が定着装置120の側板(不図示)に固定されている。ハロゲンヒータ23は、プリンタ本体に設けられた電源部により出力制御されて発熱するように構成されており、その出力制御は、上記温度センサ27による定着ローラ121の表面温度の検知結果に基づいて行われる。このようなヒータ23の出力制御によって、定着ローラの温度(定着温度)を所望の温度に設定できるようになっている。また、定着ローラを加熱する加熱源として、ハロゲンヒータ以外に、IH、抵抗発熱体、又はカーボンヒータ等を用いてもよい。
上記ニップ形成部材24は、加圧ベルト122の軸方向又は定着ローラ121の軸方向に渡って長手状に配設され、ステー125によって固定支持されている。これにより、定着ローラ121による圧力でニップ形成部材24に撓みが生じるのを防止し、定着ローラ121の軸方向に渡って均一なニップ幅が得られるようにしている。なお、ステー125は、ニップ形成部材24の撓み防止機能を満足するために、ステンレスや鉄等の機械的強度が高い金属材料で形成することが望ましいが、ステー125を樹脂製とすることも可能である。
また、ニップ形成部材24は、耐熱温度200℃以上の耐熱性部材で構成されている。これにより、トナー定着温度域で、熱によるニップ形成部材24の変形を防止し、安定したニップ部Nの状態を確保して、出力画質の安定化を図っている。ニップ形成部材24には、ポリエーテルサルフォン(PES)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、液晶ポリマー(LCP)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などの一般的な耐熱性樹脂を用いることが可能である。
また、ニップ形成部材24は、その表面に低摩擦シート24aを有している。加圧ベルト122が回転する際、この低摩擦シート24aに対し加圧ベルト122が摺動することで、加圧ベルト122に生じる駆動トルクが低減され、加圧ベルト122への摩擦力による負荷が軽減される。
加圧ベルト122の内部(ループ内)にも加熱源たとえばハロゲンヒータを配置する場合には、ハロゲンヒータとステー125の間に反射部材を備えると好適である。これにより、ハロゲンヒータからの輻射熱などによりステー125等が加熱されてしまうことによる無駄なエネルギー消費を抑制できる。また、反射部材を備える代わりにステー125の表面に断熱もしくは鏡面処理を行っても同様の効果を得ることが可能となる。
ただ、ステー125はその強度を確保するために形状や材質が自由に選択できないため、反射部材を別途設けた方が、形状や材質の選択の自由度が広がり、反射部材とステー125はそれぞれの機能に特化することができる。また、反射部材をハロゲンヒータとステー125との間に設けることにより、ハロゲンヒータに対する反射部材の位置が近くなるので、加圧ベルト122を効率良く加熱することが可能となる。
なお、本実施形態では、定着ローラ121の直径を20〜40mmに設定しており、加圧ベルト122の直径と定着ローラ121の直径を同等となるように構成している。ただし、この構成に限定されるものではない。例えば、加圧ベルト122の直径が定着ローラ121の直径よりも小さくなるように形成してもよい。その場合、ニップ部Nにおける加圧ベルト122の曲率が定着ローラ121の曲率よりも小さくなるため、ニップ部Nから排出される記録媒体が加圧ベルト122から分離されやすくなる。
ニップ形成部材24は上記第1実施形態で説明したものと同じ構成であり、図3,4及び図7で説明したとおりである。説明が重複するため、ここでは割愛する。また、図5,6あるいは図11で説明した構成を採用することも可能である。
上記のようなニップ形成部材24を備えることにより、定着動作実行時において、小サイズ用紙を連続通紙した場合にその通紙領域の端部付近あるいは非通紙領域で温度が上昇するような場合であっても、その熱は高熱伝導層により長手方向(用紙幅方向)に効率良く移動・拡散され、熱が表面に蓄積されにくくなる。したがって連続通紙時のいわゆる端部温度上昇を効果的に抑制することができる。同時に、長手方向(軸方向)の端部付近に低熱伝導部が存在していることにより、端部(通紙領域端部)への熱逃げが制限されることとなり、定着立上げ時における端部温度低下を抑制することが可能となる。
本第3実施形態の定着装置120においても、第1実施形態について図8で説明したと同様に、小サイズ用紙通紙領域の外側部分での温度上昇が抑制され、実機による確認実験では、5〜15degの温度低減効果を得られることが確認できた。
また、大サイズ用紙(通紙可能な最大サイズ、例えばA3縦)を通紙した立ち上げ時の場合も、第1実施形態について図9で説明したと同様に、通紙領域の端部付近での温度低下を抑制することができる。実機による確認実験では、5〜10degの温度持ち上げ効果を得られることが確認できた。
以上、本発明を図示例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の範囲内で適宜変更可能なものである。
例えば、定着装置の加熱源の数や配置場所などは任意であり、また、加熱源もハロゲンヒータに限らず、誘導加熱手段を含め適宜な熱源を採用可能である。定着部材としてベルトやフィルムの材質、あるいは加圧部材の構成等も適宜なものを採用可能である。
ニップ形成部材の構成も適宜な構成を採用可能であり、また、材質もコストや製造性等を考慮して適宜なものを使用可能である。
また、画像形成装置の構成も任意であり、4色トナーを用いるものに限らず、3色のトナーを用いるフルカラー機や、2色のトナーによる多色機、あるいはモノクロ装置にも本発明を適用することができる。もちろん、画像形成装置としてはプリンタに限らず、複写機やファクシミリ、あるいは複数の機能を備える複合機であっても良い。
1 画像形成装置
20 定着装置
21 定着ベルト(定着部材)
22 加圧ローラ(加圧部材)
23 ハロゲンヒータ(加熱源)
24 ニップ形成部材
25、125 ステー
26 反射部材
27 温度センサ
28 分離部材
121 定着ローラ(定着部材)
122 加圧ベルト(加圧回転体)
241 基材
241a 基材凸部
242 ニップ側高熱伝導部材
242a 貫通穴
243 ステー側高熱伝導部材
244 内部高熱伝導部材
特開2004−235001号公報

Claims (11)

  1. 回転可能な無端状の定着部材と、前記定着部材を加熱する加熱源と、前記定着部材の内側に配設されたニップ形成部材と、前記定着部材を挟んで前記ニップ形成部材に圧接されて定着ニップを形成する加圧部材とを備え、未定着画像を担持する記録媒体を前記定着ニップに通過させることにより記録媒体上の未定着画像を定着させる定着装置において、
    前記ニップ形成部材は、基材層と、該基材層の前記定着ニップ側表層に設けられ該基材層よりも熱伝導率が高い高熱伝導層を有し、
    前記高熱伝導層は、定着部材軸方向の端部付近に開口部を具備し、
    前記基材層は、前記高熱伝導層の定着部材軸方向の端部付近において低熱伝導部を形成するとともに、前記開口部から露出し、前記ニップ形成部材の表面を形成することを特徴とする定着装置。
  2. 回転可能な無端状の加圧回転体と、前記加圧回転体の内側に配設されたニップ形成部材と、前記加圧回転体を介して前記ニップ形成部材と当接することにより加圧回転体との間に定着ニップを形成する定着部材と、前記定着部材を加熱する加熱源とを備え、未定着画像を担持する記録媒体を前記定着ニップに通過させることにより記録媒体上の未定着画像を定着させる定着装置において、
    前記ニップ形成部材は、基材層と、該基材層の前記定着ニップ側表層に設けられ該基材層よりも熱伝導率が高い高熱伝導層を有し、
    前記高熱伝導層は、定着部材軸方向の端部付近に開口部を具備し、
    前記基材層は、前記高熱伝導層の定着部材軸方向の端部付近において低熱伝導部を形成するとともに、前記開口部から露出し、前記ニップ形成部材の表面を形成することを特徴とする定着装置。
  3. 前記低熱伝導部は、前記開口部に、前記基材層に設けられた凸部が嵌合されて構成されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の定着装置。
  4. 前記低熱伝導部は、最大サイズ用紙の通紙領域の外側に設けられていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の定着装置。
  5. 前記基材層に、所定の小サイズ用紙の通紙領域の外側端部付近に、高熱伝導部材を配設したことを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の定着装置。
  6. 前記高熱伝導部材は、前記基材層の前記定着ニップとは反対側に設けられていることを特徴とする、請求項5に記載の定着装置。
  7. 前記基材層が複数部材に分割して構成されていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の定着装置。
  8. 前記基材層の前記定着ニップとは反対側に、該基材層よりも熱伝導率が高い第2の高熱伝導層が設けられていることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載の定着装置。
  9. 前記加熱源は、前記定着部材を直接加熱することを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1項に記載の定着装置。
  10. 前記ニップ形成部材を支持する支持部材を有し、該支持部材と前記加熱源との間に、前記加熱源からの熱を反射させる反射部材が配設されていることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載の定着装置。
  11. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の定着装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
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