JP6493891B2 - 定着装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複写機、プリンタ、ファックス、及びこれらの機能を複数備えた複合機等の画像形成装置に搭載される定着装置に関するものである。
電子写真方式の画像形成装置に用いる定着装置(像加熱装置)として、フィルム(ベルト)加熱方式の装置が知られている。具体的には、高耐熱性の筒状のフィルムと、フィルムの内面と接触するセラミックヒータ(以下、ヒータと記す)と、フィルムを介してヒータと共にニップ部を形成する加圧ローラを有する。そして、ニップ部でトナー像を担持した記録材を搬送しながら加熱しトナー像を記録材に定着する。この装置で用いるヒータ及びフィルムは低熱容量なので、省電力化及びウェイトタイム短縮化(クイックスタート)が可能になるという長所がある。
この装置においては、フィルム回転時においてフィルムに長手方向(スラスト方向)への寄りが発生する場合があり、この寄りを精度良くコントロールすることは難しい。そこで、フィルムの長手方向端部を受け止め、寄りを抑える規制部材(以降、フランジと称する)をフィルム端部に設置することが提案されている。このフランジは、フィルムの内周面および端面と接触する。内周面と接触することでフィルムの記録材搬送方向の傾きを抑え、端面と接触することでフィルムの長手方向の移動を規制する。
しかし、フィルムをフランジで規制する場合、フィルムの寄り力が大きくなると、フィルムの端部に折れ、あるいは亀裂を生じる現象(以降、フィルム端部破損と称する)が発生することがある。その結果として、定着画像の劣化、フィルムの走行不良、耐久寿命の短縮の可能性があった。その対策として、フィルムの膜厚の増加や、材料に添加物を混ぜる等により強度を上げることなどが講じられている。
また、フランジにおけるフィルムの内周面と接触する領域(以降、ガイド面と称する)と、フィルムの端面との接触領域(以降、規制面と称する)の関係を適切に管理する必要がある。フィルムの内周面と接触していない領域でフィルム端面がフランジの規制面と接触すると、フィルムが端部で折れ込む現象(以降、端部折れと称する)が発生する。端部折れが発生したフィルムでは、走行軌跡が不安定になり画像不良や記録材の搬送不良を引き起こす可能性がある。また、フィルムの端部破損に至る場合もある。
フィルム端部折れの課題に対して、フランジ形状を工夫する対策が提案されている(特許文献1)。この提案されている構成の特徴は以下である。フランジをニップ中心に対して記録材搬送方向に関して上流側と下流側に2分割したとき、上流側において、フランジはフィルムに対し内周面および端面と接触している。そして、フィルム内周面とガイド面が接触する領域が、フィルム端面と規制面が接触する領域より大きくなっている。一方、下流側においては、フランジはフィルムに対し内周面、端面とは接触していない。
上記構成とすることでフィルムの内周面とフランジのガイド面が接触していない領域で、フィルム端面がフランジの規制面に接触することを防ぎ、端部折れを防止することができる。
特開2012−252186号公報
しかしながら、前記従来の技術では、近年の装置の高速化、小型化の流れに伴い、フィルムの寄り力が大きくなるという課題があった。すなわち、上流側だけでフィルム内周面とフランジのガイド面、およびフィルム端面とフランジの規制面が接触するような構成の場合、フィルムが受ける寄り力が大きくなってしまう。その理由を以下に示す。
前記従来の構成では、フランジの下流側において、フィルム内周面とフランジのガイド面の間に隙間が生じる。このような隙間があると、フィルムの記録材搬送方向における傾きが発生する。フィルムが加圧ローラに対して傾くと、フィルムと加圧ローラのそれぞれの回転方向のベクトルに差が生じ、その差に応じてフィルム端部に寄り力が発生する。回転方向のベクトル差が増大し寄り力が大きくなると、フィルムの走行軌跡が乱れたり、フィルム端部で破損したりするといったおそれがあった。
この課題に対する解決手段として、フランジのガイド面を大きくする、もしくは、フィルム径を小さくするなどの手段により、下流側においてもフィルム内周面とフランジのガイド面を接触させる方法が採用されている。このように、下流側においてもフィルム内周面とフランジのガイド面を接触させることで、フィルムの加圧ローラに対する搬送方向の傾きを抑え、寄り力を低減することができる。
また、フィルム端面とフランジの規制面の接触に対しても、上流側のみで接触している場合、所定の寄り力に対し、フィルムが受ける単位面積当たりの寄り力が大きくなるという課題があった。この課題を解決するためには、下流側においてもフィルム端面とフランジの規制面を接触させ、接触面積を増すことで単位面積当たりのフィルム寄り力を低減する手段が採用されている。
上記のように、下流側においてもフィルム内周面とフランジのガイド面、およびフィルム端面とフランジの規制面が接触する装置においても、フィルムの端部折れを防止する必要がある。
そこで、本発明の目的は、上記のような構成の装置においても、フィルム端部折れが発生することなくフィルム寄り力を低減させ、フィルムの耐久性能を満足させるような定着装置を提供することである。
上記目的を達成するための本発明に係る定着装置の代表的な構成は、
画像が形成された記録材がニップ部で搬送されつつ加熱されて前記画像が前記記録材に定着される定着装置において、
筒状のフィルムと、
前記フィルムの外面に接触して前記フィルムと共にニップ部を形成する加圧部材と、
前記フィルムの長手端部に対向するように設けられた規制部材であって、前記フィルムが前記フィルムの長手方向に移動した場合に前記フィルムの長手端面を受け止めて前記フィルムの前記長手方向への移動を規制する規制面と、前記フィルムの内面に対向し前記フィルムの回転をガイドするガイド面と、を有する規制部材と、を備え、
前記規制面は前記フィルムの長手方向見たときに記録材搬送方向に関し前記ニップ部の中央よりも下流側にある第1領域と、前記第1領域よりも上流側にある第2領域と、前記第2領域よりも上流側にある第3領域を有し、
前記第1領域は前記長手方向において前記第2領域に対し前記フィルムの長手端面から遠ざかる方向に退避しており、
前記第3領域は前記長手方向において前記第2領域に対し前記フィルムの長手端面から遠ざかる方向に退避しており、
前記第2領域は前記記録材搬送方向において前記ニップ部の中央よりも上流側から下流側まで連続して延びており、かつ前記ニップ部の中央よりも上流側の部分の方が前記ニップ部の中央よりも下流側の部分よりも前記フィルムの回転方向の長さが長いことを特徴とする。
本発明によれば、可撓性を有する中空の第1の回転体(フィルム)の端部折れが発生することなく第1の回転体の寄り力を低減させ、第1の回転体の耐久性能を満足させるような定着装置を提供することができる。
実施例1の定着装置におけるフランジの構成模式図 実施例2の定着装置におけるフランジの構成模式図 実施例3の定着装置におけるフランジの構成模式図 画像形成装置例の構成模式図 定着装置例の正面模式図 同装置の縦断正面模式図 図5の装置の一部切欠き正面模式図 同装置の横断右側面模式図 (a)はフィルムユニットの分解斜視模式図、(b)はフィルムの層構成を示す模式図、(c)はヒータの横断面模式図 フランジの構造説明図 制御系統のブロック図 フィルムの寄り移動の説明図 フィルムのガイド領域と走行軌道の説明図 フィルム折れの説明図 テーパ形状部を設けたフランジの説明図 比較例1と2のフランジの説明図
以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を、実施の形態に基づいて例示的に詳しく説明する。
《実施例1》
[画像形成装置]
図4は本発明に係る像加熱装置を定着装置Cとして搭載している画像形成装置Aの一例の概略構成を示す模式図である。この画像形成装置Aは電子写真プロセスを用いたモノクロプリンタであり、ホストコンピュータ等の外部装置(不図示)から制御部Dに画像情報が入力する。制御部Dは所定の画像形成制御シーケンスを実行する。
記録材(以下、用紙または紙と記す)Pにトナー像を形成する画像形成部Bは、矢印の時計方向に回転駆動されるドラム型の電子写真感光体(以下、ドラムと記す)1を有する。このドラム1の周囲にはドラム回転方向に沿って順に、帯電ローラ2、レーザースキャナ3、現像装置4、転写ローラ5、クリーニング装置6が配設されている。以上の画像形成部Bの画像形成動作(電子写真プロセス)は周知であるので詳細な説明は割愛する。
カセット7に収納されている用紙Pは送り出しローラ8の回転によって1枚ずつ繰り出される。そして、用紙Pはトップセンサ9を有する搬送路10によりドラム1と転写ローラ5とで形成される転写ニップ部11へ所定の制御タイミングにて導入されてドラム1側のトナー像の転写を受ける。転写ニップ部11を通った用紙Pは搬送路12に沿って定着装置(定着部)Cへ送られ、トナー像の熱圧定着処理を受ける。定着装置Cを出た用紙Pは搬送路13を通り、排出ローラ14により画像形成物(成果物)として排出トレイ15に排出される。
[定着装置]
定着装置Cに関して、正面とは用紙Pの入口側、背面とは同出口側である。左右とは装置Cを正面から見て左(一端側)または右(他端側)である。上下とは重力方向において上または下である。上流側と下流側は用紙搬送方向(記録材搬送方向)において上流側と下流側である。また、加圧ローラの軸線方向或いはこれに平行な方向を長手方向とし、これに直交する方向を短手方向とする。
この定着装置Cは、立ち上げ時間の短縮や低消費電力化を可能としたフィルム(ベルト)加熱方式の像加熱装置(OMF:オンデマンド定着器)である。図5は装置Cの正面模式図、図6は装置Cの縦断正面模式図、図7は図5の装置Cの正面模式図において、フィルムユニットのフィルムを切り欠いてユニット内部が透けて見えるようにした図、図8は装置Cの横断右側面模式図である。この定着装置Cは、大別して、フィルムユニット(ベルトユニット)50と、加圧部材としての弾性加圧ローラ26と、これらを収容している装置枠体(筐体)60を有する。
(1)フィルムユニット50
フィルムユニット50は、内部アセンブリ(内蔵物:内部部材)に対してルーズに外嵌されている、可撓性を有する中空(無端状、エンドレスベルト状、筒状)の第1の回転体である定着フィルム(定着ベルト:以下、フィルムと記す)25を有する。フィルム25の内部には、加熱体としてのヒータ20、ヒータ20を保持すると共にフィルムの回転をガイドするガイド部材(保持部材)29、ガイド部材を保持する例えば鉄製の加圧剛性ステイ30が内部アセンブリとして配設されている。図9の(a)はフィルムユニット50の分解斜視模式図である。
ヒータ20、ガイド部材29、ステイ30は何れも長さがフィルム25の幅(長さ)よりも長い部材であり、一端側(左側)と他端側(右側)がそれぞれフィルム25の両端部から外方に突出している。そして、ステイ30の一端側と他端側の外方突出部30aに対してそれぞれ一端側と他端側のフランジ(フィルム保持部材)40(L・R)が嵌着されている。即ち、フィルム25の長手方向両端部にフランジ40(L・R)が配置されている。
1)フィルム25
可撓性を有するフィルム25は自由状態においては自身の弾発性により直径24mmの円筒形状を呈する。フィルム25は横断面ほぼ半円弧状のガイド部材29に対してルーズに外嵌されている。図9の(b)は本実施例におけるフィルム25の層構造を示す断面模式図であり、内側から外側に順に、基層25a、弾性層25b、表層25cの3層の複合層からなる。
基層25aの材料として、多くの定着装置でポリイミド、ポリアミドイミド、PEEK、PES等の低熱容量の耐熱性樹脂材料を用いているが、熱伝導性と耐久性を高めるためにSUS、Ni等の薄肉金属を用いることもできる。基層25aは熱容量を小さくしてクイックスタート性を満足させると同時に、機械的強度も満足させる必要があるため、厚みは15μm以上50μm以下とすることが望ましい。本実施例の基層25aは厚み70μmの円筒形のポリイミド基層とした。
弾性層25bはシリコーンゴムを材料としている。この弾性層25bを設けることで、トナー画像Tを包み込み、均一に熱を与えることができるようになるため、光沢度が高くてムラのない良質な画像を得ることが可能になる。また、弾性層25bはシリコーンゴム単体では熱伝導性が低いため、アルミナ、金属ケイ素、炭化ケイ素、酸化亜鉛等の熱伝導性フィラーを添加するなどの手段で、1.2W/mk以上を確保すると良い。
本実施例においては、弾性層25bにゴム材であるジメチルポリシロキサンに、熱伝導性フィラーである金属ケイ素を添加し、その熱伝導率を1.2W/mkとしている。また弾性層25bの厚さは210μmとしている。
表層25cは離型層として、高い耐摩耗性およびトナーに対する高い離型性が要求される。材料としては先述のPFA、PTFE、FEP等のフッ素樹脂が用いられる。樹脂のディスパージョンを焼成して得られるコーティング層、もしくはチューブ層で形成される。また、フッ素樹脂にカーボンなどの導電材を付与する場合もある。本実施例の表層25cは、フッ素樹脂としてPFAを用い、厚さは15μmでコーティング層とした。
2)ヒータ20
ヒータ20には、一般的にセラミックヒータが使用される。図9の(c)は本実施例におけるセラミックスヒータ20の横断面模式図である。このヒータ20は、窒化アルミニウム、アルミナ等からなる耐熱性のヒータ基板(セラミック基板)20aを有している。そしてヒータ基板20aの表面に、通電により発熱する発熱抵抗層(抵抗発熱体)としての抵抗体パターン20bを、例えば印刷によってヒータ基板20aの長手方向に沿って形成している。そして、その抵抗体パターン20bの表面を保護層としてのガラス層20cで被覆している。
また、ヒータ基板20aの裏面(ニップ部Nと反対側の面)には、ヒータ20の温度を検知する温度検知部材としてのサーミスタ24が配設されている。
3)ガイド部材29
ガイド部材29は耐熱樹脂によって形成された部材であり、ヒータ20を支持するとともに、フィルム25の回転ガイドを兼ねている。ガイド部材29の下面には長手に沿って溝部が形成されており、ヒータ20はその溝部に表面側を外側にして嵌め込まれて支持されている。ガイド部材29の材料として、液晶ポリマー、フェノール樹脂、PPS、PEEK等の耐熱性樹脂が用いられている。
4)フランジ40
フィルム25の長手方向両端部に配置されるフランジ40(L・R)はそれぞれ左右対称形状の耐熱樹脂製のモールド成形品である。以下の記載において、「フランジ40L」は左側(一端側)のフランジ、「フランジ40R」は右側(他端側)のフランジ、「フランジ40」或いは「フランジ40(L・R)」は左右両方のフランジであるものとする。
図10の(a)、(b)、(c)は、フランジ40を、それぞれ、内面側、側面側、天面側から見た図である。(d)は縦断面図である。これらの図に示すように、フランジ40は、規制面(規制部、鍔座:第1の面)40a、ガイド面(ガイド部:第2の面)40b、加圧受け部40c、嵌着部40d、嵌着縦溝部40e、を有する。
規制面40aはフィルム25の長手端部の端面25dに対向しており、フィルム25が長手方向に動いた場合に移動(寄り)を規制する役割を果たし、フィルム25が長手方向の所定の位置にとどまるようにしている。即ち、フィルム25に寄りが発生した場合、フィルム端面25dはフランジ40の規制面40aに突き当たり、寄りが規制されるようになっている。
ガイド面40bはフィルム25の長手方向端部領域において回転するフィルム25の内面をガイドする。即ち、ガイド面40bはフィルム25の長手端部の内周面を内側から支持することにより、フィルム25に所望の回転軌跡を描かせる役割を果たしている。ガイド面40bとフィルム端部内面との接触領域を図7中の斜線部(網掛け部)SlおよびSrで示す。
回転するフィルム25の端部内面とフランジ40のガイド面40bが接触摺動すると、トナーの定着に必要な熱が、フランジ40によって奪われる。そのため、フランジ40のガイド面40bは装置Cに使用可能な最大幅サイズの用紙の搬送領域Wmaxよりも外側領域に設けられている。
嵌着部40dはステイ30の外方突出部30aに対して嵌着される部分である。加圧受け部40cは、ステイ30の外方突出部30aと直接触れており、縮設されている加圧バネ48(L・R)によってステイ140を押し下げる役割を果たしている。フランジ40は耐熱性に優れ、比較的熱伝導率が良くなく、滑り制にも優れる材料として、PPS、液晶ポリマー、PET、PA、等のガラス繊維含有の樹脂が用いられており、本実施例ではPPSを用いている。
(2)加圧ローラ26
第2の回転体としての加圧ローラ26は、フィルム25を挟んでヒータ20との間にニップ部Nを形成し、かつ、フィルム25を回転駆動するための駆動回転体である。加圧ローラ26は、芯軸部26aの外周に弾性層26bを有し、弾性層26bの外周に表層26cを有する、外径は約30mmの弾性ローラである。
芯軸部26aには、アルミニウム、鉄などの金属材料が中実もしくは中空で用いられる。本実施例では、中実のアルミニウムを芯金材料として用いている。弾性層26bは、断熱性のシリコーンゴムから成り、カーボン等の電気伝導材を添加することで導電性としている。表層26cは、PFA、PTFE、FEP等のフッ素樹脂からなる厚さ10〜80umの離型性チューブである。本実施例では層26cは、厚さ30μmのPFAチューブとしている。
ここで、PFAは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、PTFEはポリテトラフルオロエチレン(4フッ化)、FEPはテトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(4,6フッ化)の略称である。
加圧ローラ26は芯軸部26aの一端側と他端側をそれぞれ装置枠体60の一端側と他端側の側板61L・61R間に軸受部材62を介して軸受させて回転可能に配設されている。また、芯軸部26aの他端側には同心一体に駆動ギア47が配設されている。このギア47に制御部(エンジンコントローラ)D(図11)で制御されるモータMの駆動力が駆動伝達部(不図示)を介して伝達されることで、加圧ローラ26が駆動回転体として図8において矢印R26の方向に所定の周速度で回転駆動される。
フィルムユニット50はヒータ20の側を下向きにして加圧ローラ26の上側において加圧ローラ26に実質平行に配列して装置枠体60の側板61L・61R間に配設されている。フィルムユニット50のフランジ40L・40Rはそれぞれ嵌着縦溝部40eが側板61L・61Rに設けられた縦ガイドスリット63・63の縦縁部に係合している。
これによりフランジ40L・40Rは、それぞれ、側板61L・61Rに対して上下方向にスライド移動可能に保持されている。即ち、フィルムユニット50は全体に側板61L・61R間において縦ガイドスリット63・63に沿って加圧ローラ26に対して近づく方向と遠のく方向とに移動可能な自由度を有する。
(3)加圧機構
フランジ40L・40Rの加圧受け部40cにはそれぞれ加圧バネ48L・484Rが当接している。加圧バネ48Lは装置枠体60の天板66の一端側のバネ受け部67Lとフランジ40Lの加圧受け部40cとの間に縮設されている。加圧バネ48Rは装置枠体60の天板66の他端側のバネ受け部67Rとフランジ40Rの加圧受け部40cとの間に縮設されている。
上記の加圧バネ48L・48Rの縮設反力によりフィルムユニット50のステイ30の一端側と他端側の外方突出部30a・30aにフランジ40L・40Rを介してそれぞれ所定の同等の押圧力が作用している。
これにより、ヒータ20を有するガイド部材29と加圧ローラ26とが加圧ローラ26の弾性層26bの弾性に抗してフィルム25を挟んで所定の加圧力をもって圧接する。本実施例の定着装置Cにおいては、ヒータ20、或いはヒータ20とガイド部材29の一部がフィルム25の内面に接触する当接する摺動部材(バックアップ部材:ニップ部形成部材)として機能している。そのため、図8のように、フィルム25と加圧ローラ26との間に用紙搬送方向A1に関して所定幅のニップ部N(フィルムはニップ部のみで拘束されている)が形成される。
(4)定着動作
前記のように、加圧ローラ26のギア47に制御部Dで制御されるモータMの駆動力が駆動伝達部を介して伝達されることで、加圧ローラ26が駆動回転体として図8において矢印R26の方向に所定の周速度で回転駆動される。この加圧ローラ26の回転によりニップ部Nにおける加圧ローラ26との摩擦力でフィルム25に回転力が作用する。これにより、フィルム25はその内面がニップ部Nにおいてヒータ20の表面およびガイド部材29の外面の一部に密着して摺動しながら矢印R25の方向に加圧ローラ26の回転周速度にほぼ対応し周速度で従動回転する。
一方、ヒータ20は制御部Dで制御される給電部(トライアック)51から不図示の給電経路を介して電力供給を受けて急峻に発熱する。このヒータ20の温度がヒータ裏面に当接させて配置されているサーミスタ24で検知され、検知温度情報が制御部Dに入力する。制御部Dは入力する検知温度情報に応じて給電部51からヒータ20に流す電流を適切に制御することで、ヒータ20の温度を所定の温度に立ち上げてその温度が維持されるように温調する。
サーミスタ24は、ヒータ20の長手方向中央部の温度を検知するための素子である。サーミスタ24によって検知される温度は制御部Dに入力される。サーミスタ24は、NTC(Negative Temperature Coerricient)サーミスタであり、温度上昇に伴い抵抗値が小さくなる。ヒータ20の温度は制御部Dで監視され、制御部内部で設定されている目標温度と比較することによって、ヒータ20に供給する電力が調整されている。これにより、ヒータが目標温度を維持するようにヒータへ供給する電力が制御されている。
このように、加圧ローラ26が回転駆動され、これに伴いフィルム25が従動して回転し、ヒータ20が所定の温度に立ち上げられて温調された状態において、画像形成部B側から未定着のトナー像Tを担持した用紙Pがニップ部Nに導入される。用紙Pはトナー像Tの担持面がフィルム25に対面するようにニップ部Nに導入されて挟持搬送されていく。これにより、用紙上の未定着のトナー像Tは加熱加圧されて固着画像として定着される。ニップ部Nを通過した用紙Pはフィルム25の表面から曲率分離して定着装置Cから排出搬送されていく。
(フィルム内周の接触領域と寄り力)
先述のように、加圧ローラ26は駆動ギア47から回転駆動を受け、図8の矢印R26方向に回転駆動する。フィルム25はニップ部Nで加圧ローラ26より回転駆動を受け、矢印R25方向に従動回転する。フィルム25は回転時に長手方向の左右いずれかに寄りが発生する場合がある。その寄りを規制するために、フランジ40(L・R)をフィルム25の両端部側に配設けている。フィルム25に寄りが発生した場合、フィルム端面25dはフランジ40の規制面40aに突き当たり、寄りが規制されるようになっている。
また、フランジ40は、フィルム25の端部内面と接触するガイド面40bを備え、フィルム25の長手方向端部領域において、フィルム25の端部内面をガイドする。即ち、フィルム25は両端部付近において内面をフランジ40のガイド面40bによってガイドされている。そして、ガイド面40bとフィルム端部内面との接触領域Sl、Sr(図7)が小さくなると、寄り力が大きくなるという問題が発生する。
その理由を、図12を用いて以下に示す。図12は定着装置Cにおけるフィルムユニット50と加圧ローラ26の部分の天面側の模式図であり、フィルム25は破線で示している。また、ステイ30は省略してある。加圧ローラ26とフィルム25が通常回転している場合、加圧ローラ26はフィルム25を長手方向で均一な力を与える。
図12の(a)はフィルム26が長手方向で均一な力を受けて回転している場合の模式図である。ニップ部Nにおける加圧ローラ26の搬送力を長手方向の左右で分け、駆動ギア47側(右側)の搬送力をHr、反対側(左側)の搬送力をHlと示す。
搬送力Hrと同Hlが同等の力であり、このためフィルム25に寄り力は発生しておらず、フィルム端面25dとフランジ40の規制面40aは左右の両端側ともに接触していない。また、左右の両端側において、フィルム25の下流側の内面とガイド面40bとの左側における隙間をdl、右側における隙間をdrで示す。このとき、隙間dlと同drは同等の間隔になっている。
一方、左右の搬送力Hlと同Hrが不均一の場合、フィルム25は左右どちらかの方向に寄り力が発生する。左右の搬送力Hlと同Hrが不均一になる理由としては、加圧ローラ26の外径に左右差がある場合、加圧バネ48L・48Rの加圧力に左右差がある場合、フィルム25と加圧ローラ26のアライメントが左右でずれている場合などが挙げられる。
図12の(b)は、搬送力Hrが同Hlよりも大きい場合の模式図である。フィルム25の内面は、駆動ギア47側(右側)ではフランジ40Rのガイド面40aの上流側でガイドされており、長手方向逆側(左側)のフランジ40Lにおいてはガイド面40aの下流側でガイドされている。その結果、フィルム25は搬送力が大きい駆動ギア47側は下流側に傾き、逆側は上流側に傾いている。
フィルム25が用紙搬送方向A1方向に対し、角度θyだけ傾くと、フィルム25には駆動ギア47側に分力Fyが働く。ここで、角度θyが大きけいほど、分力Fyは大きくなる。その結果、フィルム25は搬送力が大きい駆動ギア47側に寄り、フランジ40Rの規制面40aで寄りを規制される。
ここで、フィルム25の端部が受ける寄り力は上記分力Fyに比例する。すなわち、フィルム25の傾きθyが大きいほど、寄り力が大きくなる。上述のように、フィルム25の傾きはフランジ40のガイド面40bによりもたらされるため、フランジ40のガイド面40bとフィルム内面との隙間drが大きいほど、傾きθyが大きくなる。したがって、隙間dr(dl)を小さくすることで寄り力を低減することができる。
隙間dr(dl)を小さくするためには、フィルム25の内周とフランジ40のガイド面40bの差を小さくする必要がある。図13は駆動ギア47側(右側)のフランジ40Rとヒータホルダ29およびヒータ21により形成されるユニットの断面の模式図である。なお、図13〜図16、図1〜図3は、説明の便宜上、フランジ40等の形状をデフォルメして描いており、図8や図10等におけるフランジ40等との対比においては各部の形状や寸法比率などは整合していない。
ニップ部Nにおける用紙搬送方向A1に関して図の右側が上流側(フランジ40をニップ中心に対して用紙搬送方向A1に関して上流側と下流側に2分割したときの上流側)になる。フィルム25の内周面はフランジ40Rのガイド面40bとヒータホルダ29およびヒータ20によりガイドされ、ガイド領域は(a)中の網掛け部Gである。また、このガイド領域Gにフィルム25を張架した状態を(b)に示す。(b)の太線で示したFがフィルム25の内周が走行する領域(フィルム走行軌道)である。
下流側でフィルム25がガイド面40bにガイドされない領域が発生し、ガイド面40bの下流側に最も突き出した点と、フィルム走行軌道Fとの間隔(隙間間隔)をdrとする。この間隔drは、フィルム内周長すなわちフィルム走行軌道Fの全長と、ガイド領域Gの全長の差が小さいほど、小さくなる。
ここで、ガイド領域Gの全長をLg、フィルム25の内周長をLfとし、LgをLfで割ったものをRgfとする(以降、Rgfを内周使用率と称する)。
Rgf=Lg/Lf
内周使用率Rgfを大きくすることで、上記間隔drを小さくすることができ、その結果、フィルム25の寄り力を低減することができる。
一方で、内周使用率Rgfが大きくなりすぎると、フィルム内周とガイド面40bの間の摺動抵抗が大きくなることでトルクが増大し、さらにはフィルム25の内部アセンブリに対する外嵌挿入自体が困難になる場合がある。
したがって、内周使用率Rgfを適切な範囲に設定する必要がある。その結果、内周使用率Rgfは95〜99.8%の範囲に設定することが望ましく、98〜99%の範囲がさらに望ましい。本実施例1では98.5%となるように内周使用率Rgfを設定した。その結果、フィルム25とフランジ40Rのガイド面40bとの接触領域は、(b)の矢印Jrで示す領域(フィルム25の回転時に、ガイド面40bとフィルム25の端部の内周面とが摺接する接触領域:以下、第2の接触領域と称す)となる。フランジ40Lの場合も上記フランジ40Rの場合と同様である。
(フランジの規制面とフィルム折れ)
続いてフランジ40Rの規制面40aとフィルム折れについて説明する。図14は参考例のフランジ40を用いた際の、フィルム25の端面25dがフランジ40Rの規制面40aで突き当たった時の拡大図、およびガイド面40bの断面図を示す。フィルム25の回転時に、フィルム25の内面とフランジ40Rのガイド面40bは図13の(b)で説明した第2の接触領域Jrで接触している。
フィルム25は端部内面がガイド面40bに接触していない状態、すなわち第2の接触領域Jrより下流側のFとGに隙間drがある領域において、フィルム端部が内側に折れる(屈曲する)現象が発生する可能性がある。
例えば、図中矢印方向に寄り力が発生してフィルム端面25dが規制面40aに突き当たると、フィルム端部が内側に折れる現象が発生する可能性がある。(a)は下流領域にて、フィルム端部が寄り力によって、内側に折れ込んだ状態の模式図である。フィルム折れが発生すると、フィルム25の走行が乱れ用紙の搬送不良や画像不良を引き起こしたり、フィルム25の屈曲部に応力が集中しフィルム25の端部破損に至ったりする可能性がある。
一方、フィルム25は、(b)に示すように、フィルム端部内面がガイド面40bでガイドされている第2の接触領域Jrでは、図中矢印方向に寄り力が発生しフィルム端面25dが規制面40aに突き当たっても折れ込む現象は発生しない。フィルム内面がガイド面40bでガイドされているためである。フランジ40Lの場合も上記フランジ40Rの場合と同様である。
上記フィルム折れの問題を解決するためには、フランジ40Rの規制面40aに逃げのテーパ形状部を設ける方法が効果的である。図15は、フランジ40Rの規制面40aの下流側にテーパ形状部40fを設けた場合の、フィルム端部付近の拡大模式図である。この構成とすることで、テーパ形状部40fを設けた領域では、フィルム端面25dと規制面40aが接触しないため、内側に折れる現象を防止することができる。フランジ40Lの場合も上記フランジ40Rの場合と同様である。
しかし、一方で、テーパ形状部40fを広く取りすぎると、フィルム端面25dと規制面40aの接触領域が小さくなり、フィルム25の受ける単位面積当たりの寄り力が大きくなる。その結果、フィルム端部が寄り力に耐え切れず座屈するなどの問題が発生してしまう。
(実施例1のフランジ形状)
上述したように、フィルム25の破れを防止し、定着装置Cの耐久性を満足させるためには、以下の2点を満足する必要がある。
一点目は「フィルムの端部折れを防止すること」、二点目は「フィルムの単位面積当たりが受ける寄り力を低減すること」である。これらを満足するためにフランジ40が要求される形状に関する条件は、一点目は「ガイド面でフィルム内周がガイドしていない領域はフィルム端面が規制面に接触しないようにする」、二点目は「フィルムの端面と規制面の接触領域を広く取る」ことである。
実施例1のフランジ40は、これらの条件を満たし、フィルム25の耐久性を満足することができる。図1の中央部分の図は実施例1のフランジ40Rの断面概略図である。図の右側に示す模式図はフランジ40Rを用紙搬送方向A1の上流側(フランジ40Rをニップ中心に対して用紙搬送方向A1に関して上流側と下流側に2分割したときの上流側)から眺めたもの、左側は下流側(同じく下流側)から眺めたものである。
図中矢印および網掛け部で示す領域Jrはフィルム25の内周面とガイド面25bが接触している前述した第2の接触領域である。実施例1のフランジ40Rは、内周使用率Rgfを98.5%としており、その結果、図1に示すように、上流側のみならず下流側にも第2の接触領域Jrがある構成となっている。このような構成とすることで上記一点目の要件を満足することができる。すなわち、第2の接触領域Jrを広く取ることで下流側の隙間drを小さくすることができ、その結果、フィルム25が受ける寄り力を400gf以下に抑えることができる。
また、実施例1のフランジ40Rの規制面40aは、上流側と下流側とにそれぞれフィルム25の端部(フィルムの長手端面)から離れる方向(遠ざかる方向)に傾き(退避)を持たせる形状部(以降、テーパ形状部と称する)Tj(第3領域)とTk(第1領域)を有している。上流側と下流側のテーパ形状部TjとTkの開始位置は、上流側は40cj、下流側は40ckで示している。
このテーパ形状部TjとTkの開始位置40cj、40ckにおいては、フィルム端面25dと規制面40aが局所的に強く当たることを防止するため、連続的に傾きを変える形状(R形状)を持たせることが望ましい。即ち、テーパ形状部Tj、Tkのフィルム端面25dから離れる形状が、非連続で傾きが変わることが無いような形状であることが望ましい。実施例1のフランジ40Rでは、テーパ開始位置40cjと40ckには上下流ともに緩やかなR形状を施している。
テーパ形状部TjとTkの逃げ角度(傾斜)は、図中に上流側θTj、下流側θTkで示している。上流側のテーパ形状部Tjの逃げ角度θTjと下流側のテーパ形状部Tkの逃げ角度θTkは異なる。実施例1では、下流側のテーパ形状部Tkの角度θTkが上流側のテーパ形状部Tjの角度θTjよりも小さい。換言すれば、θTjがθTkよりも大きくなるように設定されている。こうすることで、逃げテーパ部付近においてフィルム25の局所当たりを防ぐことができる。
テーパ形状部Tj、Tkの開始位置40cj、40ckは、上流側と下流側で非対称であり、下流側のほうがより頂点部に近い位置に配置されている。即ち、フランジ40Rはニップ部Nを中にして用紙搬送方向A1において上流側と下流側とにテーパ形状部Tj、Tkを有し、上流側のテーパ形状部Tjは下流側のテーパ形状部Tkよりもニップ部Nに近い。
これら上流側と下流側のテーパ形状部Tj、Tkの開始位置40cj、40ckで挟まれる領域Zr(第2領域)でフィルム端面25dと規制面40aが接触する。即ち、領域Zrは、フィルム25の回転時に、規制面40aとフィルム25の端面25dとが摺接する接触領域(以下、第1の接触領域と称す)である。そして、この第1の接触領域Zrは前述の第2の接触領域Jrと実質同じ位置になっている。
即ち、フランジ40Rは、フィルム25の回転時に、第1の接触領域Zrと、第2の接触領域Jrがフィルム25の周方向において実質同じ位置となるように、規制面40aがフィルム端面25dから離れる形状部Tj、Tkを有する。そして、第1の接触領域Zr及び第2の接触領域Jrは共にニップ部Nにおける用紙Pの搬送方向A1において上流側から下流側に亘って設けられている。
このように第1の接触領域Zrと第2の接触領域Jrが実質同じ位置になるようにすることで、上記一点目と二点目の要件を満足することができる。すなわち、内周ガイド部でのみフィルム端面と規制面40aが接触するため折れを防止でき、また、第2の接触領域Jrを広く取ることで単位面積当たりのフィルムが受ける力を低減することができる。また、規制面やガイド面が用紙搬送方向(記録材搬送方向)の上流側から下流側に亘って設けられているのでフィルムの姿勢が安定する。
フランジ40Lの場合も上記フランジ40Rの場合と同様である。このように、実施例1のフランジ40(L・R)を用いることで、より高い耐久性能を要求される高速機においても、フィルム25の耐久性を、寿命を通して満足することができるようになる。
(実施例1の定着装置と比較例の定着装置の比較結果)
実施例1の定着装置の作用効果を説明するために、比較例1および同2の定着装置との比較実験を行った結果を示す。実施例1の定着装置には前述した図1に示すフランジ40を用いる。一方、比較例1、2の定着装置では、それぞれ、図16の(a)、(b)に示すフランジ40を用いる。その他の比較例1、2の構成は、実施例1と同一であるので説明を省略する。図16の(a)、(b)はそれぞれフランジ40Rであるが、フランジ40Fも同様である。
図16の(a)は、比較例1で用いるフランジ40Rの断面模式図である。この比較例1のフランジ40Rと実施例1のフランジ40R(図1)の異なる点は、規制面40aに設けている下流側のテーパ形状部Tkの開始位置40ckがより下流側にシフトしている点である。
比較例1のフランジ40Rは、上下流のテーパ形状部Tj、Tkの開始位置40cjと40ckがガイド部40bの頂点部を中心に上下流で対称となる位置に設けられている。このとき、フィルム25の端面25dと規制面40aとが摺接する第1の接触領域は図中のZrで示す領域となり、フィルム25の内周とガイド面40bとが摺接する第2の接触領域Jrよりも広い領域となる。その結果、フィルム25の内周と接触していない領域(第2の接触領域Jrの領域外)でフィルム端面25dが第1の接触領域Zrにおける規制面40aに押し当てられることになり、フィルム折れが発生する。
図16の(b)は、比較例2で用いるフランジ40の断面模式図である。この比較例2のフランジ40と実施例1の異なる点は、規制面40aに設けている下流側のテーパ形状部Tkの開始位置40ckがより上流側にシフトしている点である。
比較例2のフランジ40Rは、下流側のテーパ形状部Tkのテーパ開始位置40ckがフランジ40Rのガイド部40bの頂点からニップ線と平行になるように形成されている。このとき、フィルム25の端面25dとフランジ40の規制面40aとが摺接する第1の接触領域は図の矢印Zrで示す領域となり、フィルム25の内周とガイド面40bとが摺接する第2の接触領域Jrよりも狭い領域となる。その結果、フィルム25にかかる単位面積当たりの寄り力が大きくなり、フィルム25の座屈が発生しやすくなる。
次にその他の定着装置の構成を示す。その他の定着装置の構成は実施例1と比較例1、2で同一である。フィルム25と加圧ローラ26の加圧力は186.2N(19kgf)であり、そのニップ幅は9mmである。画像形成装置の印刷速度は60枚/分(A4サイズ:横送り)で、定着装置Cの寿命は200k枚である。試験を行った環境は気温23℃、湿度50%であり、評価紙はCS−680(A4サイズ68g/cm2)を用いた。
この条件で、実施例1、比較例1および2の各定着装置を用いた画像形成装置において、片面連続通紙モードで200k枚の通紙耐久を行い、耐久に伴う問題の評価を行った。
表1は実施例1と比較例1および2の定着装置を用いた画像形成装置における、定着装置の耐久性を示す結果の表である。表1における耐久性のレベルを示す記号について説明する。表中の○はフィルム25の耐久性が問題なく良好であることを示している。表中の×は、フィルム25の耐久性にかかわる問題が発生し、それに起因する画像不良が発生しており実用上問題があることを示している。
表1によれば、比較例1の定着装置においては、100k枚のプリントを行った時点で、フィルム25の端部約2mm幅でリング状に千切れ、フィルム25の長手長さが短縮していた。そしてその結果、フィルム25の走行性能が不安定になり、紙搬送が乱れ、画像不良が発生した。
2mm幅でリング状に千切れる現象が発生した理由は、フィルム端部の折れである。フィルム25は下流側でフィルムが折れ、ニップ内および上流側で折れが解消するため、この折れと解消の繰り返しにより疲労破壊したものである。
また、比較例2の定着装置においては150k枚のプリントを行った時点で、フィルム25の端部にて、長手方向に複数の亀裂が入り、ラッパ状に広がっていた。そしてその結果、フィルム25の走行が不安定になり、紙搬送が乱れ画像不良が発生した。ラッパ状に広がった理由は、フィルム端部に単位面積あたりに受ける寄り力が大きいことである。耐久による基層の摩耗の進行や熱による劣化により、フィルムの強度が低下し、耐久後半にて座屈が発生したものである。
一方、実施例1の定着装置においては、200kの寿命を通じて耐久性に関する問題は発生しなかった。その理由は、フィルム端部内周とガイド面40bとが摺接する第2の接触領域Jrとフィルム端面25dと規制面40aとが摺接する第1の接触領域Zrを実質同じ位置とすることで、フィルムの端部折れを防止できる。これと共に、フィルム端部の単位面積当たりの寄り力を下げることができたためである。
以上のように、実施例1の定着装置を用いれば、比較例1、2には無い作用効果を得られることが分かる。即ち、下流側においてもフィルム内周面とフランジのガイド面、およびフィルム端面とフランジの規制面が接触する定着装置においても、フィルム端部折れが発生することなくフィルム寄り力を低減させ、フィルムの耐久性能を満足させることができるようになる。
実施例1では、第2の接触領域Jrと第1の接触領域Zrを実質同じ位置としたが、バラつきを考慮するとすべてにおいて同一の位置とすることは難しい。この場合、公差が最大に振れた場合においても、第1の接触領域Zrが第2の接触領域Jrより広くならないように、第1の接触領域Zrを第2の接触領域Jrに比べてやや小さめとし、フィルムの端部折れを防止するよう設定するのが望ましい。
《実施例2》
実施例2の構成について説明する。実施例2と実施例1の違いは、フランジ40のみであり、その他の構成は実施例1と同一であるため説明を省略する。実施例2のフランジ40を示した断面模式図を図2に示す。実施例2のフランジ40は、規制面40aにひさし部40gを有していることが特徴である。
このひさし部40gは、例えばジャム処理などでフィルム25が大きく変形させられた場合に、フィルム25の表面側から変形を規制する役割を果たしている。このため、フィルム25を大きく変形させられることがないよう、フィルム走行軌道Fに対して遠くなりすぎないよう設定する必要がある。
一方、通常プリント時にフィルム25がひさし部40gに接触してしまうと、表層の削れやトルクアップなどの問題が発生する可能性がある。つまり、このひさし部40gはフィルム25の走行軌道Fから遠すぎても近すぎても問題が発生する可能性がある。
したがって、実施例2のフランジ40では、ひさし部40gとガイド面40bの距離を上流側での距離djと下流側での距離dkで差をつけている。具体的には、規制面40aにおける上流側のテーパ形状開始位置40cjから下流側のテーパ形状開始位置40ckの間は一定の間隔djである。これに対し、下流側のテーパ形状開始位置40ckより下流側においては上記の間隔djよりも大きな間隔dkとしている。
即ち、フランジ40はフィルム25の端部の外周を覆うひさし形状部40gを有する。また、下流側のテーパ形状部Tkと上流側のテーパ形状部Tjとの間におけるひさし部形状部40gと第2の接触領域Jrとの距離をdjとする。下流側のテーパ形状部Tkよりも下流側の領域におけるひさし形状部40gと第2の接触領域Jrとの距離をdkとする。距離djは距離をdkよりも小さい。
このような構成とすることで、フィルム走行軌道Fがガイド領域Gから離れる下流側領域においても、フィルム走行軌道Fとひさし形状40gが所定の距離内に収まるようになる。その結果、プリント時においてもジャム処理時においても問題が発生することなく、良好な定着画像を供給することができる。
《実施例3》
良好な画像を得るために、フィルム25の導電性の基層25a(図9の(b))にトナーの帯電極性(ここではマイナス)とは逆極性(ここではプラス)のバイアス(電位)を印加する手段が有効である。フィルム25にバイアスを印加することで、未定着トナーTを用紙Pに押さえつける方向に電界の力が働く。この電界の力によって、トナーTが用紙Pの後方に飛び散る現象を抑えることができる。
そこで、本実施例3においては実施例1の定着装置において、フィルム25の端部においてフィルム周方向に導電性の基層25aを露出させている。そして、この基層露出部に制御部D(図11)で制御されバイアス印加部53から導電ブラシなどの給電手段(給電機構)52を介して所定のバイアスを印加する。
図3は本実施例にいてフランジ40Rおよび給電機構52を示した断面模式図である。本実施例3では、フィルム25の表面側からブラシタイプの給電機構52によりマイナスバイアスの給電を行っている。この時、フィルム端部内面とガイド部40bが接触していない領域で給電すると、ブラシ給電機構52とフィルム25の接点が回転運動により不安定になりノイズが発生し、その結果、適正なバイアスをフィルムに印加することができなくなってしまう。
したがって、実施例3においては、フィルム端部内面とガイド面40bが接触している第2の接触領域Jrに給電機構52を設置する構成とした。すなわち、上流側のテーパ形状部Tkjのテーパ開始位置40cjと下流側のテーパ形状部Tkのテーパ開始位置40ckで挟まれる領域内に、給電機構52を設置する構成とした。こうすることで、フィルム25が回転運動した場合でも安定に給電することができ、画像不良の発生を防止することができる。
なお、実施例2で説明した、ひさし部40gを有するフランジ40おいても上記給電機構52を設けることが可能である。この場合、給電機構52を設置する領域はひさし部40gを設けないようにすることが必要である。即ち、第2の接触領域Jrにおいてフィルム25の表面に電位を印加する給電機構52を有し、給電機構52が位置する領域にはひさし形状部40gを設けない。
《その他の事項》
(1)ニップ部Nを形成するためのフィルムユニット50と加圧ローラ26の加圧構成は、加圧ローラ26をフィルムユニット50に対して加圧する装置構成にすることもできる。フィルムユニット50と加圧ローラ26の両者を互いに加圧する構装置成にすることもできる。即ち、加圧機構はフィルムユニット50と加圧ローラ26の少なくとも一方を他方に向けて加圧する構成であればよい。
(2)フィルム25の内側の摺動部材(バックアップ部材)はヒータ20以外の部材であってもよい。
(3)フィルム25の加熱手段は実施例のヒータ20に限られない。ハロゲンヒータ、電磁誘導コイルなど他の加熱手段を用いた、内部加熱構成、外部加熱構成、接触加熱構成、非接触加熱構成など適宜の加熱構成を採ることができる。
(4)実施例では、フランジ40をフィルム25の一端側と他端側との両端側に配設したけれども、フィルム25の寄り移動が専らに一端側または他端側に生じる装置構成にして、その寄り移動側にだけフランジ40を配設する装置構成にすることもできる。
(5)フィルム25を駆動回転体とし、加圧ローラ26をフィルム25の回転に従動回転させる装置構成にすることもできる。
(6)実施例では、像加熱装置として、記録材上に形成された未定着のトナー像を加熱して定着する定着装置を例にして説明したがこれに限られない。記録材に定着若しくは仮定着されたトナー像を再加熱して画像のグロス(光沢度)を増大させる装置(光沢度向上装置)にも本発明を適用することが可能である。
(7)画像形成装置は実施例のようなモノカラーの画像を形成するものに限られない。カラー画像を形成する画像形成装置でもよい。また、画像形成装置は、必要な機器、装備、筺体構造を加えて、複写機、FAX、及び、これらの機能を複数備えた複合機等、種々の用途で実施できる。
C・・像加熱装置(定着装置)、P・・記録材、T・・トナー像、N・・ニップ部、25・・第1の回転体(フィルム)、25d・・端面、26・・第2の回転体(加圧ローラ)、40・・規制部材(フランジ)、40a・・規制面、40b・・ガイド面、Zr・・第1の接触領域、Jr・・第2の接触領域、Tj・・上流側の形状部、Tk・・下流側の形状部

Claims (7)

  1. 画像が形成された記録材がニップ部で搬送されつつ加熱されて前記画像が前記記録材に定着される定着装置において、
    筒状のフィルムと、
    前記フィルムの外面に接触して前記フィルムと共にニップ部を形成する加圧部材と、
    前記フィルムの長手端部に対向するように設けられた規制部材であって、前記フィルムが前記フィルムの長手方向に移動した場合に前記フィルムの長手端面を受け止めて前記フィルムの前記長手方向への移動を規制する規制面と、前記フィルムの内面に対向し前記フィルムの回転をガイドするガイド面と、を有する規制部材と、を備え、
    前記規制面は前記フィルムの長手方向見たときに記録材搬送方向に関し前記ニップ部の中央よりも下流側にある第1領域と、前記第1領域よりも上流側にある第2領域と、前記第2領域よりも上流側にある第3領域を有し、
    前記第1領域は前記長手方向において前記第2領域に対し前記フィルムの長手端面から遠ざかる方向に退避しており、
    前記第3領域は前記長手方向において前記第2領域に対し前記フィルムの長手端面から遠ざかる方向に退避しており、
    前記第2領域は前記記録材搬送方向において前記ニップ部の中央よりも上流側から下流側まで連続して延びており、かつ前記ニップ部の中央よりも上流側の部分の方が前記ニップ部の中央よりも下流側の部分よりも前記フィルムの回転方向の長さが長いことを特徴とする定着装置。
  2. 前記第1領域及び第3領域はいずれも前記回転方向に関し前記第2領域に近づくほど前記長手方向において前記第2領域に近づくように傾斜し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領域の傾斜は前記第3領域の傾斜よりも小さいことを特徴とする請求項2に記載の定着装置。
  4. 前記第1領域は前記回転方向に関し前記第2領域に近づくほど前記長手方向において前記第2領域に近づくように傾斜していることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の定着装置。
  5. 前記フィルムは前記ニップ部でのみ拘束されていることを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の定着装置。
  6. 前記フィルムを介して前記加圧部材と共に前記ニップ部を形成するニップ部形成部材を有することを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の定着装置。
  7. 前記ニップ部形成部材はヒータであることを特徴とする請求項6に記載の定着装置。
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