JP6407002B2

JP6407002B2 - 定着装置

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Publication number: JP6407002B2
Application number: JP2014250413A
Authority: JP
Inventors: 朋也立石; 前田　雅文; 前田　　雅文; 隆史楢原; 徹今泉; 康人南島
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2018-10-17
Anticipated expiration: 2034-12-10
Also published as: US20160170338A1; US9519252B2; JP2016114621A

Description

本発明は、複写機やプリンタ等の画像形成装置に搭載されており、記録材に形成された未定着画像を記録材に定着する定着装置に関する。

電子写真式の複写機やプリンタに搭載される定着装置として、フィルム加熱方式のものが知られている。フィルム加熱方式の定着装置は、筒状のフィルムと、フィルムの内面に接触するヒータと、フィルムを介してヒータとニップ部を形成する加圧ローラを有している。ヒータは樹脂製のヒータホルダで保持されている。ヒータホルダは金属製の補強部材で補強されている。ヒータホルダには貫通孔が設けられており、ヒータホルダと補強部材の間の空間に設けられた温度検知素子がヒータホルダの貫通孔を介してヒータの温度を検知している。ヒータは温度検知素子の検知温度に応じて制御される。ヒータホルダと補強部材の間の空間にはサーモスイッチ等の保護素子も設けられており、保護素子もヒータホルダに設けられた他の貫通孔を介してヒータの熱を感知している。保護素子はヒータが過剰な温度に達した時にヒータへの給電を遮断する役割を有している。温度検知素子にもヒータが過剰な温度に達した時にヒータへの給電を遮断する役割を持たせることがある。

ところで、装置を設計する際には、ヒータへの給電が制御不能となるケースも考慮する必要がある。フィルム加熱方式の定着装置においてヒータへの給電が制御不能な状態が続くと、ヒータホルダが熱により軟化する。ヒータホルダが軟化するとヒータに掛る荷重が不均一となり、ヒータが撓み、ヒータが割れてしまう。保護素子はこのような事態を防止するために設けられているが、保護素子の熱容量の影響で保護素子が作動するまでにはある程度の時間が掛り、保護素子が作動する前にヒータが割れる可能性もある。

特許文献１には、ヒータホルダのヒータ保持座面の形状を工夫することにより、ヒータが割れるまでの時間（マージン）を長くした定着装置が記載されている。保護素子が作動するまでヒータが割れないように、制御不能時にヒータに掛るストレスを軽減しヒータが割れるまでの時間を稼ぐという発想である。

特許４７７７０３５号

しかしながら、ヒータホルダの形状を工夫するだけではヒータが割れるまでの時間を十分に稼ぐことができないこともある。

本発明は、ヒータが割れるまでの時間を稼ぐ他の手法を提供することを目的とするものである。

上述の課題を解決するための本発明は、細長いヒータと、前記ヒータを前記ヒータの長手方向に亘って保持する熱可塑性樹脂で形成されたホルダと、前記ホルダに前記長手方向に亘って接触しており前記ホルダを補強する補強部材と、前記ホルダと前記補強部材の間の空間に設けられており、前記ホルダに設けた貫通孔から前記ヒータの熱を受ける感熱部材と、前記感熱部材を前記ヒータに向って付勢する付勢部材と、を有し、前記ヒータの熱で記録材に形成された未定着画像を記録材に加熱定着する定着装置において、前記付勢部材は、前記付勢部材の本体部よりも前記付勢部材の付勢方向とは反対方向に突出する突出部を有し、前記突出部は、装置が正常に作動している時は前記補強部材と非接触であり、前記ホルダが軟化することによって前記ヒータが撓むと前記補強部材に接触して前記感熱部材の移動を規制し前記ヒータの撓みを抑えることを特徴とする。

本発明によれば、異常昇温時のヒータ割れを防止することが可能な定着装置を提供できる。

実施例１の定着装置の断面図実施例１の定着装置の斜視図ヒータ駆動回路図実施例１の定着装置の斜視図サーミスタ近傍の構成を示す断面図異常昇温試験後の状態を示す断面図比較例の定着装置の断面図比較例の定着装置の断面図

（実施例１）
図１は本実施例の定着装置３０の断面図、図２は定着装置３０の斜視図である。本例の定着装置３０はフィルム加熱方式の定着装置である。定着装置３０は、フィルムユニット１と加圧ローラ２を有している。フィルムユニット１は、筒状のフィルム１０、ヒータ１１、ヒータホルダ１２、ステー（補強部材）１３、サーミスタユニット（感熱部材）１４を有している。フィルム１０は、ホルダ１２及びステー１３の周りにラフに嵌められている。フィルム１０は、ポリイミドやＰＥＥＫ等の樹脂材料、又はステンレスやニッケル等の金属材料で形成された基層と、フッ素樹脂等の離型性に優れた表面層（離型層）を有する。ヒータ１１はセラミック基板上に発熱抵抗体が形成されたセラミックヒータである。ヒータ１１は記録材搬送方向に対して直交する方向に細長い部材である。ホルダ１２は、ヒータ１１をヒータ１１の長手方向に亘って保持する熱可塑性樹脂で形成された部材である。本例のホルダの材質はＬＣＰ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＰｏｌｙｍｅｒ）である。１２ａはヒータを保持するホルダ１２の溝であり、Ｙ軸方向に沿って形成されている。１２ｂはホルダ１２に設けられたフィルムの回転を案内するガイド面である。ステー１３は、ホルダ１２に長手方向に亘って接触しており、ホルダ１２を補強する補強部材であり、その材質は金属（本例では亜鉛メッキされた鋼鈑（鉄））である。ステー１３によってフィルムユニット１の剛性を確保している。図１に示すようにステー１３は断面がＵ字形状に折り曲げられている。図２に示すように、ステー１３の長手方向両端にはフィルム１０がフィルム１０の母線方向に寄り移動するのを規制する規制部材２０が設けられている。

加圧ローラ２は、鉄やアルミニウム等からなる芯金２ａと、シリコーンゴム層２ｂと、フッ素樹脂等よりなる離型層２ｃと、芯金２ａの端部に取り付けられたギア４と、を有する。加圧ローラ２は定着装置のフレームＳＦに回転可能に保持されている。フィルムユニット１は加圧ローラ２の上からフレームＳＦに取り付けられており、矢印ＢＦで示す荷重が規制部材２０の上から掛けられている。荷重ＢＦは、規制部材２０、ステー１３、ホルダ１２、ヒータ１１、フィルム１０、加圧ローラ２の順に掛り、これによりフィルム１０と加圧ローラ２の間に定着ニップ部Ｎが形成されている。ギア４にモータ（不図示）の動力が伝わると加圧ローラ２が回転し、フィルム１０が加圧ローラ２の回転に従動して回転する。トナー画像（未定着画像）Ｔが形成されている記録材Ｓは定着ニップ部Ｎで挟持搬送され、未定着画像はヒータ１１の熱で記録材に加熱定着される。

ヒータ１１の温度を検知するサーミスタユニット１４は、ホルダ１２とステー１３の間の空間に設けられており、ホルダ１２に設けた貫通孔１２ｃからヒータ１１の熱を受ける。より詳細には、サーミスタユニット１４は、ホルダ１２に設けた貫通孔１２ｃに挿入されてヒータ１１に接触している。

図５（ｂ）に示すように、サーミスタユニット１４は、台座部１４ｂと、台座部１４ｂに保持された弾性部１４ｃと、弾性部１４ｃに保持されたサーミスタ（温度検知素子）１４ａと、これらに巻き付けられた絶縁シート１４ｄを有する。台座部１４ｂの材質はＬＣＰである。弾性部１４ｃは絶縁性であり、セラミックシートを積層したものである。絶縁シート１４ｄの材質はポリイミドである。サーミスタ１４ａには２本のケーブル１４ｅ１、１４ｅ２が電気的に繋がっている。サーミスタ１４ａは絶縁シート１４ｄを介してヒータ１１の温度を検知する。

図３はヒータ１１の駆動回路図である。５０は商用電源（交流電源）であり、本例の定着装置を搭載する画像形成装置は商用電源５０から電力の供給を受ける。５３は電源装置（電源部）であり、画像形成装置内のモータや制御回路等の負荷に所定の電圧（電圧２４Ｖ、及び電圧Ｖｃｃ１＝３．３Ｖ）を出力している。商用電源５０からの電力はヒータ１１にも供給される。ＣＰＵ３２はヒータへの供給電力を制御する。６０はヒータ駆動回路であり、ＣＰＵ３２からのＤｒｉｖｅ１信号に応じて制御される。

ヒータ１１の温度はサーミスタ１４ａによってモニタされている。サーミスタ１４ａは画像形成装置で使用可能な最小サイズの記録材が通過する領域（図４に示すエリアＡｍｉｎ）のヒータの温度を検知するための素子である。サーミスタ１４ａは、端子の一方をグランド、もう一方の端子を抵抗５５に接続されている。更に、抵抗５６を介してＣＰＵ３２のアナログ入力ポートＡＮ０に接続されている。サーミスタ１４は高温になると抵抗値が低下する特性を持っている。ＣＰＵ３２には温度テーブル（不図示）が格納されており、ＣＰＵ３２は、サーミスタの抵抗と固定抵抗５５との分圧電圧に基づきヒータ１１の温度を検知する。

５７は商用電源５０の電圧のゼロクロスを検知し出力するＺＥＲＯＸ生成回路である。ＺＥＲＯＸ生成回路５７は、商用電源電圧が０Ｖ近辺に設定された閾値電圧以下の電圧である時にＨｉｇｈレベルの信号を出力し、それ以外の場合にＬｏｗレベルの信号を出力する。そして、ＣＰＵ３２のポートＰＡ１には、抵抗５８を介して商用電源電圧の周期とほぼ等しい周期のパルス信号が入力される。ＣＰＵ３２は、ＺＥＲＯＸ信号のＨｉｇｈ→Ｌｏｗに変化するエッジを検知し、このエッジをヒータ駆動回路６０の駆動基準（基準タイミング）として利用する。

ＣＰＵ３２はサーミスタ１４による検知温度に基づきヒータ１１へ供給する電力のデューティ比を決定する。そして、ヒータ駆動回路６０が、決定したデューティ比で駆動されるように、ポートＰＡ２から駆動信号Ｄｒｉｖｅ１を出力する。

次に、ヒータ駆動回路６０を説明する。ＣＰＵ３２により決定されたタイミングで出力ポートＰＡ２がＨｉｇｈレベルとなると、ベース抵抗６７を介してトランジスタ６５がオンする。トランジスタ６５がオンするとフォトトライアックカプラ６２がオンする。抵抗６６はフォトトライアックカプラ６２内の発光ダイオードに流れる電流を制限するための抵抗である。抵抗６３、６４はトライアック６１のためのバイアス抵抗である。フォトトライアックカプラ６２がオンするとトライアック６１がオンする。トライアック６１は、一旦オンすると、交流電圧が次のゼロクロスポイントになるまでオン状態を保持する素子である。したがって、ヒータ１１には、オンタイミングに応じた電力が投入される。

１０１は保護素子としての温度ヒューズである。温度ヒューズ１０１はヒータ１１への電力供給路中に設けられており、ヒータ１１が異常発熱すると温度ヒューズ１０１が切れることにより電源５０からヒータ１１への給電が遮断される。温度ヒューズ１０１も、サーミスタユニット１４と同様、フィルム１０の内部であって、ホルダ１２とステー１３の間の空間に設けられている。そして、ホルダ１２に設けられた貫通孔（不図示）に挿入されており、ヒータ１１に接触している。また、温度ヒューズ１０１もサーミスタユニット１４と同様、図４に示すエリアＡｍｉｎ内に配置されている（図４では温度ヒューズ１０１を破線で示している）。

図４は定着装置３０の斜視図であり、サーミスタユニット１４が配置された付近Ｂにおけるフィルム１０及びステー１３を切り欠いて、内部を可視化している。なお、図４では図２に示した規制部材２０やフレームＳＦは省略している。３は電源５０からヒータ１１へ電力を供給するためのコネクタである。また、Ａｍａｘは、画像形成装置で使用可能な最大サイズの記録材が通過する領域を示している。

次に、サーミスタユニット１４の近傍の構成について、図５（ａ）を参照して説明する。図５（ａ）は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。１５は、サーミスタユニット１４をヒータ１１に向って付勢するバネ（付勢部材）である。本例の付勢部材は、ステンレスの薄板からなる板バネである。バネ１５は、図５（ａ）中のＣ部でホルダ１２に対して固定され、図５（ａ）の波線で示している自由状態から矢印Ｄ方向へ変位することで、サーミスタユニット１４をヒータ１１に向う方向（矢印Ｅ方向）に付勢する。バネ１５は、ステー１３と非接触であり且つバネの本体部（ヒータ１１と略平行な部分）１５ｂよりもバネ１５の付勢方向Ｅとは反対方向に突出する突出部（規制部）１５ａを有する。突出部１５ａはバネ１５の一部を折り曲げて形成されている。突出部１５ａは、装置が正常に作動している時はステー１３と非接触である。ヒータ１１が異常発熱しホルダ１２が軟化することによってヒータ１１が撓むと、サーミスタユニット１４がヒータ１１に押される。これによりバネ１５はサーミスタユニット１４によって矢印Ｄ方向に押される。そして、突出部１５ａがステー１３に接触してサーミスタユニット１４の移動を規制し、ヒータ１１の撓みを抑える。装置が正常に作動している状態で、突出部１５ａとステー１３の間には、隙間Ｇ１を設けている。隙間Ｇ１は、部品寸法のばらつき等を考慮しても突出部１５ａとステー１３が接触しない範囲において可能な限り小さく設定するのが好ましい。本例においては、隙間Ｇ１を０．８ｍｍに設定しており、したがって、サーミスタユニット１４の可動域は０．８ｍｍである。隙間Ｇ１は０．５〜１．０ｍｍの範囲内が好ましい。

本例の定着装置３０が異常昇温状態に陥った場合にどのような挙動を示すかを確認するため、ヒータ１１を強制的に異常昇温させる試験を行った。異常昇温時にヒータ１１に最も大きな熱応力が掛るのは、トライアック６１がデューティ比１００％で駆動され続ける場合である。そこで、図３に示したトライアック６１がショートし且つヒータ１１への電力供給路に設けたリレー（不図示）もショートする二重故障を想定した試験回路を作製した。この回路を用いて、電圧１２０Ｖ且つデューティ比１００％の電力をヒータ１１に供給し続け、給電開始からどれくらいの時間でヒータ割れが発生するか（ヒータ割れ時間）を測定する試験を行った。なお、温度ヒューズ１０１はヒータ１１に当接させているが、試験回路とは別の回路に繋いだ。そして、温度ヒューズ１０１には微弱な電流を流し、温度ヒューズ１０１が切れているか否かを温度ヒューズに流れる電流をモニタすることに判断できるようにした。このような試験により、温度ヒューズが動作する（切れる）までの時間（温度ヒューズ動作時間）を測定できる。また、温度ヒューズが動作してもヒータには電力が供給され続けるので、ヒータが割れるまでの時間（ヒータ割れ時間）も測定できる。本試験において、温度ヒューズ動作時間よりも、ヒータ割れ時間の方が長ければ、異常昇温時にヒータ割れは発生しないことが分かる。本実施例の異常昇温試験の結果を表１に示す。

試験を３回行い、いずれも、ヒータ１１の割れが発生する前に温度ヒューズが動作した。また、ヒータ割れ時間は、いずれも１３秒以上であった。

本例における異常昇温試験を行った際のサーミスタ１４近傍の概略断面図を図６（ａ）及び図６（ｂ）に示す。図６（ａ）は図６（ｂ）におけるＦ−Ｆ断面図である。異常昇温試験を行うと、融点の低い樹脂製のホルダ１２が溶融し、それに伴い、加圧ローラ２からの加圧力によりヒータ１１が変形する。特に、サーミスタユニット１４を通す貫通孔１２ｃの付近は溶融（軟化）し易く、そのためホルダ１２の強度が弱くなり、ヒータ１１の変形量が大きくなる。その結果、ヒータ１１のサーミスタユニット１４が当接する付近には機械的応力が集中する。しかしながら、ヒータ１１が隙間Ｇ１の分だけ変形すると、突出部１５ａがステー１３の位置Ｐ１に突き当たるため、ヒータ１１の変形を抑制することができる。また、ヒータの長手方向に関し、突出部１５ａはサーミスタユニット１４が設けられた領域に設けられている。本例では、突出部１５ａのヒータ長手方向における位置は、バネ１５がサーミスタユニット１４を押圧する位置上にある。そのため、バネ１５の突出部１５ａ近傍は、高い剛性を持ちながらサーミスタユニット１４の移動を規制することができる。

次に、突出部を設けていないバネ１１５を用いた比較例の装置における試験結果を説明する。図７（ａ）は正常動作時の状態、図７（ｂ）は、異常昇温状態を表す断面図である。比較例の定着装置はバネ１１５の形状だけが実施例と異なっている。比較例のバネ１１５とステー１３との隙間Ｇ２は、１．４ｍｍである。比較例の異常昇温試験の結果を表２に示す。

試験を３回行い、いずれも、ヒータ１１の割れが発生する前に温度ヒューズが動作した。しかしながら、ヒータ割れ時間は、８．９４秒〜１１．６０秒であり、実施例よりも短く、また、ばらつきも大きくなり、ヒューズ動作時間との差が小さくなった。比較例において異常昇温試験を行うと、図７（ｂ）に示すように、本実施例と同様にヒータ１１が変形し、バネ１１５がステー１３の位置Ｐ２に突き当たる。しかしながら、比較例の隙間Ｇ２は１．４ｍｍであり、本実施例の隙間Ｇ１（０．８ｍｍ）に対して大きい。そのため、ヒータ１１の変形量も大きくヒータ割れ時間は短くなる。

また、ステー１３は、フィルム１０の内面に接触しないように配置するために円弧形状を有している。そして本実施例は、図６（ｂ）に示すように、突出部１５ａの幅Ｗ１が、圧バネ１５の全幅（本体部１５ｂの幅）Ｗ２よりも小さい。そのため、突出部１５ａは、ステー１３のＸ軸方向の中央部である曲率が小さい領域（位置Ｐ１）に突き当てることができる。つまり、幅Ｗ１の部品寸法にばらつきがあっても、隙間Ｇ１に与える影響は小さい。一方、比較例のバネ１１５は、図７（ｂ）に示すようにステー１３の曲率が大きい領域（位置Ｐ２）に突き当たってしまう。つまり、幅Ｗ２の部品寸法にばらつきがあると、隙間Ｇ２に与える影響が大きくなってしまい、異常昇温時のヒータ割れ時間もばらついてしまう。

以上のように、突出部１５ａを設けることで隙間Ｇ１を小さく設定でき、ヒータ割れ時間を長くすることができる。また、突出部１５ａの幅Ｗ１を本体部１５ｂの幅Ｗ２より小さくすることで、異常昇温時におけるサーミスタユニット１４のＺ軸方向の移動幅の精度が向上し、ヒータ割れ防止精度が向上する。

ところで、サーミスタユニット１４を付勢する構成として、例えば、図８に示すように、ステー１３とサーミスタユニット１４の間に圧縮コイルバネ２１５を配置する構成が考えられる。図８（ａ）は正常動作時の状態、図８（ｂ）は、異常昇温状態を表す断面図である。この構成においては、図８（ｂ）に示すように、異常昇温時によりヒータ１１が変形した際、圧縮コイルバネ２１５が圧縮限界まで縮むことでサーミスタユニット１４の移動を規制することができる。しかしながら、圧縮コイルバネ２１５の圧縮限界時の高さＨ２は、バネの巻き数のばらつきやバネの線径の公差の影響でばらつきが大きい。したがって、異常昇温によりヒータが撓んだ時のサーミスタユニット１４の停止位置の精度も悪くなってしまう。これに対して本実施例は、板バネを使用しているので高さＨ１の精度が高く、異常昇温によりヒータが撓んだ時のサーミスタユニット１４の停止位置の精度も高い。

また、圧縮コイルバネ２１５は、図８（ａ）に示すように、正常動作時にも、常時、ステー１３と接触している。そのため、ヒータ１１の熱がサーミスタユニット１４、圧縮コイルバネ２１５を介してステー１３に移動し易い構成である。ステー１３は、金属製なので熱伝導率が高く、また、剛性を高めるために大きな体積を必要とするため熱容量が大きい。そのため、ヒータの熱がステー１３に移動し易く、ヒータ１１のサーミスタユニット当接部が温度低下し易いので記録材上のトナー画像の定着不良が発生しやすい構成である。これに対し、本実施例は、バネ１５の突出部１５ａは、正常動作時にステー１３に接触しておらず、熱の移動が発生しにくいというメリットがある。

上述の実施例では、温度検知素子（サーミスタ１４ａ）を有するサーミスタユニット１４を感熱部材として説明した。しかしながら、温度ヒューズやサーモスイッチのような保護素子（スイッチ部を有する素子）を感熱部材として、これをヒータに向って付勢する付勢部材に本例のような突出部を設けても構わない。

１１ヒータ
１２ヒータホルダ
１３ステー
１４サーミスタユニット
１５バネ
１５ａ突出部

Claims

細長いヒータと、
前記ヒータを前記ヒータの長手方向に亘って保持する熱可塑性樹脂で形成されたホルダと、
前記ホルダに前記長手方向に亘って接触しており前記ホルダを補強する補強部材と、
前記ホルダと前記補強部材の間の空間に設けられており、前記ホルダに設けた貫通孔から前記ヒータの熱を受ける感熱部材と、
前記感熱部材を前記ヒータに向って付勢する付勢部材と、
を有し、前記ヒータの熱で記録材に形成された未定着画像を記録材に加熱定着する定着装置において、
前記付勢部材は、前記付勢部材の本体部よりも前記付勢部材の付勢方向とは反対方向に突出する突出部を有し、前記突出部は、装置が正常に作動している時は前記補強部材と非接触であり、前記ホルダが軟化することによって前記ヒータが撓むと前記補強部材に接触して前記感熱部材の移動を規制し前記ヒータの撓みを抑えることを特徴とする定着装置。
前記付勢部材は板バネであり、前記突出部は前記板バネの一部を折り曲げて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。
前記突出部の幅は前記本体部の幅よりも狭いことを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
前記長手方向に関し、前記突出部は前記感熱部材が設けられた領域に設けられてい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。
前記装置は更に筒状のフィルムを有し、前記ヒータは前記フィルムの内面に接触してい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。
前記感熱部材は温度検知素子を有し、前記ヒータは前記温度検知素子の検知温度に応じて制御されることを特徴とする請求項１〜５いずれか一項に記載の定着装置。