JP6759576B2 - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、定着装置及び当該定着装置を備える画像形成装置に関する。

複写機、プリンタ、ファクシミリなどの画像形成装置では、像担持体上の画像情報に基づいてトナー像を形成し、このトナー像を用紙やＯＨＰなどの記録材上に転写する。そして、トナー像を担持した記録材を定着装置に通して、熱と圧接力により記録材上にトナー像を定着する。

定着装置には、省エネルギー化を実現するために、ベルト方式又はフィルム方式がよく用いられている。

特許文献１には、発熱体から離れる側のヒータ基板の下流側一部にセラミック板（伝熱板）を接触させ、これにより、ヒータ基板とヒーターホルダに蓄積した熱を長手方向に均一に分散させながら空気中に発散し、異常昇温を防止する構成が示されている。だが、脆性材料のガラスでヒータ基板を構成した場合、加圧ローラなどの荷重による搬送方向の応力集中のためにガラスに割れやクラックが発生するという不具合があった。また、用紙幅が小さく、用紙エッジが加熱領域の各中央付近を通過するような場合に、用紙エッジ外側の過昇温熱を発熱体と反対側に逃がす際、ガラスは熱伝導率が低いため、伝熱板の接触面積が狭いと伝熱抵抗が増大し、熱は長手方向に拡散しにくいため、発熱体面や加熱される耐熱性フィルム（定着ベルト）の熱の偏りを効果的に均一化できなかった。

そこで本発明は、伝熱性が低く摺動性に優れる脆性材料で加熱部材を形成しても割れやクラックの発生を防ぎ、また記録材エッジが複数の加熱領域の各中央付近を通過するようなサイズの記録材を連続で定着しても熱の偏りが発生しない定着装置を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、未定着画像に接して回転する定着部材と、前記定着部材との間で定着ニップ部を形成する加圧部材と、記録材搬送方向と直交する方向に伸びて前記定着部材の内周面に熱伝達する長尺状の加熱部材と、前記加熱部材と接して前記加熱部材の熱を長手方向に伝達する伝熱部材と、前記加熱部材と接していない前記伝熱部材の面から前記加熱部材と前記伝熱部材を支持する支持部材と、を備え、前記定着ニップ部に未定着画像を担持した記録材を通して画像定着を行う定着装置において、前記加熱部材は、基材と、前記基材上に記録材搬送方向と直交する方向に配置される独立して制御可能な複数の加熱領域と、を有し、前記支持部材は、記録材搬送方向に所要の支持間隔を有して前記伝熱部材に接しており、前記伝熱部材は接着剤を充填するための複数の開口部を長手方向に有し、前記開口部以外の領域に前記接着剤を付着させずに前記伝熱部材と前記加熱部材が前記接着剤で一体に貼付されている、ことを特徴とする定着装置を発案した。

抵抗発熱体の過剰な熱を、抵抗発熱体と反対側の基材に接触する広範囲の伝熱面を有する伝熱部材に逃がし、長手方向に拡散させることで、抵抗発熱体や定着部材における熱の偏りを効果的に均一化できる。よって、定着部材の劣化が低減され、加熱部材の割れやクラックの発生が防止され、記録材エッジが複数の加熱領域の各中央付近を通過するようなサイズの記録材を連続で定着しても、熱の偏りが発生しない。

本発明の一実施形態に係る画像形成装置であるプリンタの構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る定着装置を示す断面図である。 加熱部材の用紙搬送方向と直交する方向の断面図である。 加熱部材の平面図である。 加熱部材の第２構成例を示す平面図である。 加熱部材、伝熱部材及び支持部材の関係を示す、用紙搬送方向と直交する方向の断面図である。 伝熱部材５０の斜視図である。 伝熱部材５０と加熱部材５６の貼付方法を示す図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る画像形成装置であるプリンタの構成を示す模式図である。図１に示すように、プリンタは、給紙手段４と、レジストローラ対６と、像担持体である感光体ドラム８と、転写手段１０と、定着装置１２などを備える。

給紙手段４は、記録材である用紙Ｐが積載状態で収容される給紙トレイ１４と、給紙トレイ１４内の用紙Ｐを最上から順に一枚ずつ分離して送り出す給紙コロ１６とを有する。給紙コロ１６によって送り出された用紙Ｐは、レジストローラ対６で一旦停止され、姿勢ずれが矯正される。そして、感光体ドラム８の回転に同期するタイミング、すなわち感光体ドラム８上に形成されたトナー像の先端と用紙Ｐの搬送方向先端部の所定位置とが一致するタイミングで、レジストローラ対６により転写部位Ｎへ送られる。

感光体ドラム８の外部には、矢印で示される回転方向順に、帯電手段である帯電ローラ１８と、露光手段の一部を構成するミラー２０とが配置されている。また、現像ローラ２２ａを備えた現像手段２２と、転写手段１０と、クリーニングブレード２４ａを備えたクリーニング手段２４とが配置されている。

帯電ローラ１８と現像手段２２の間において、ミラー２０を介して感光体ドラム８上の露光部２６に露光光Ｌｂが照射され、走査される。

感光体ドラム８が回転を始めると、感光体ドラム８の表面が帯電ローラ１８により均一に帯電される。画像情報に基づいて露光光Ｌｂが露光部２６に照射、走査され、作成すべき画像に対応した静電潜像が形成される。形成された静電潜像は、感光体ドラム８の回転により現像手段２２へ移動し、ここでトナーが供給されて可視化され、トナー像が形成される。

感光体ドラム８上に形成されたトナー像は、転写手段１０において所定のタイミングで転写部位Ｎに侵入してきた用紙Ｐ上に、転写バイアス印加により転写される。

トナー像（未定着画像）を担持した用紙Ｐは定着装置１２に向けて搬送され、定着装置１２において定着された後、排紙トレイへ排出・スタックされる。

転写部位Ｎで転写されずに感光体ドラム８上に残った残留トナーは、感光体ドラム８の回転に伴ってクリーニング手段２４に至り、クリーニング手段２４を通過する間にクリーニングブレード２４ａにより掻き落とされて除去される。

その後、感光体ドラム８上の残留電位が除電手段により除去され、次の作像工程に備えられる。

図２は、本発明の一実施形態に係る定着装置を示す断面図である。図２に示すように、定着装置１２は、未定着画像に接して回転する定着部材である定着ベルト２８と、定着ベルト２８の外周面に圧接し、定着ニップ部ＳＮを形成する加圧部材である加圧ローラ３０と、定着ベルト２８を内部から加熱する加熱手段６０などを備える。定着装置１２は、定着ニップ部ＳＮに未定着画像を担持した用紙Ｐを通して画像定着を行う。

定着ベルト２８は、ベルト基体と、この基体表面に被覆された弾性層と、弾性層の表面に形成された離型層とで構成されている。ベルト基体は、例えばニッケルで形成され、外径が３０ｍｍ、厚みが１０〜７０μｍである。ベルト基体はニッケルに限らず、ＳＵＳやＰＩ（ポリイミド）などの耐熱樹脂材料で形成されてもよい。弾性層は、例えばシリコーンゴムで形成され、厚みが５０〜１５０μｍである。離型層は、耐久性を高めて離型性を確保できればよく、例えばＰＦＡやＰＴＦＥなどのフッ素系樹脂で形成され、厚みが５〜５０μｍである。

加圧ローラ３０は、中実の鉄製の芯金３０ａと、この芯金３０ａの表面に形成された弾性層３０ｂとで構成されている。芯金３０ａは、例えば鉄製であり、外形が４０ｍｍ、厚みが２ｍｍ程度である。弾性層３０ｂは、例えばシリコーンゴムで形成され、厚みが５ｍｍ程度である。弾性層３０ｂの表面には、離型性を高めるために厚みが４０μｍ程度のフッ素樹脂（ＰＦＡ又はＰＴＦＥ）層を形成するのが望ましい。加圧ローラ３０は、付勢手段により定着ベルト２８に圧接されている。加圧ローラ３０は、画像形成装置に設けられたモータなどの駆動源からギヤを介して駆動力が伝達され、回転する。この加圧ローラ３０により定着ベルト２８が連れ回り回転する。

加熱手段６０は、用紙Ｐの搬送方向と直交する方向に伸びて定着ベルト２８の内周面に接触して熱伝達する加熱部材５６と、加熱部材５６の長手方向（紙面垂直方向）の一面に接して熱を均一に伝達する（均熱化する）伝熱部材５０とを有する。また、加熱手段６０は、加熱部材５６と接していない伝熱部材５０の面から加熱部材５６と伝熱部材５０を支持する支持部材５７を有する。加熱手段６０は、定着ニップ部ＳＮから見て順に、加熱部材５６、伝熱部材５０、支持部材５７を有している。

加熱手段６０は、定着ベルト２８の内周面に摺接して配設され、加圧ローラ３０とで定着ニップ部ＳＮを形成するニップ形成部材の機能を果たしている。また、加熱手段６０は定着装置１２の側板に接続されたステー６１に支持されているので、加圧ローラ３０からの圧接力による加熱手段６０の撓みが防止され、長手方向に均一なニップ幅が得られる。なお、加熱部材５６と定着ベルト２８の内周面との間には、摺動抵抗を減らすためにフッ素系のグリースなどが塗布される。

定着ニップ部ＳＮの下流側に、定着ベルト２８の表面温度を検知する第１サーミスタ３４が設けられ、支持部材５７に加熱部材５６の温度を検知する第２サーミスタ３６が設けられている。また、加熱部材５６に電力を供給する電源４０と、第１、第２サーミスタの検知温度に基づいて電源４０を制御する加熱制御手段４２とが備えられている。加熱制御手段４２は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏインターフェース等を包含するマイクロコンピュータを意味する。

図３は、加熱部材の用紙搬送方向と直交する方向の断面図である。図３に示すように、ヒータとして構成される加熱部材５６は、板状ガラスやアルミナ等のセラミックスの低熱伝導率の基材５６ｂの上に酸化ルテニウム系の抵抗発熱体５６ａが印刷・焼成され、その上にオーバーコート（ＯＣ）層５６ｃが形成された構成となっている。よって加熱部材５６は、基材５６ｂと、前記基材上に形成された抵抗発熱体５６ａと、抵抗発熱体５６ａを覆うオーバーコート層５６ｃとから構成される。

加熱部材５６の基材５６ｂはガラスで構成されている。これにより、長尺の基板であっても、加熱部材５６と接触する安定した平面が安価で作れる。定着ベルト２８側に位置するオーバーコート層５６ｃもガラスなどで形成されているが、基材５６ｂより薄く、基材側への伝熱よりもオーバーコート層側へ伝熱し易いため、定着ベルト２８の加熱効率が向上する。さらに、オーバーコート層５６ｃは、回転駆動される定着ベルト２８に加圧摺動するので耐摩耗部材、低摩擦係数部材であることが要求され、この観点からも基材５６ｂと同質であるガラスなどで形成されると好適である。加熱部材５６の基材５６ｂとオーバーコート層５６ｃは略同質材料で構成でき、特に共にガラスで構成することで、線膨張率の違いも生じず、剥がれや割れなどの悪影響が生じ難くなる。

図４は、加熱部材の平面図である。図４に示すように、加熱部材５６は、用紙搬送方向と直交する方向（長手方向）に複数の抵抗発熱体５６ａが配置され、抵抗発熱体５６ａには、共通配線Ｗｃｏｍと個別配線Ｗ１〜Ｗ５とが接続されている。共通配線Ｗｃｏｍと、個別配線Ｗ１〜Ｗ５とは、抵抗発熱体５６ａに対して櫛歯状の導電部を形成しており、抵抗発熱体５６ａは複数の加熱領域（Ｈ１〜Ｈ５）を有する。

上述した定着ベルト２８の表面温度を検知する第１サーミスタ３４や加熱部材５６の温度を検知する第２サーミスタ３６は、各加熱領域に対応して配置されている。そのため、各加熱領域は、個別配線Ｗ１〜Ｗ５をＯＮ／ＯＦＦすることで、個別に独立して加熱制御可能である。なお、端部の加熱領域Ｈ１、Ｈ５は、最大通紙サイズの両端部をカバーするように配設されている。

加熱制御手段４２は、各サーミスタの検知温度や通紙サイズ情報を加味して、各加熱領域を温度制御し、加熱部材５６の加熱割合を変更する。このように、通紙サイズ情報にも応じて加熱制御することで、非通紙域の温度が高くなりすぎる事態が回避され、非通紙域の過昇温による部材の破損や画像品質の低下を抑制できる。

実際には、非通紙領域に対応する加熱領域への電力供給を完全に停止（オフ）しても良いが、極端に温度が下がり過ぎると次の画像領域の定着温度へ昇温することが間に合わないことがある。これを回避するために、画像領域の定着温度に対応する第１の目標温度よりも低いが、室温に対し所定以上の温度である第２の目標温度に温度を保つような温度制御が行われる。そのため、非通紙領域に対応する加熱領域へも給電は行われる。

図５は、加熱部材の第２構成例を示す平面図である。図５に示すように、長手方向中心から左右対称な位置にある加熱領域（Ｈ１とＨ５、Ｈ２とＨ４）が同時にＯＮ／ＯＦＦ可能なように構成してもよい。これにより、ＯＮ／ＯＦＦをするためのトライアックやＦＥＴなどのスイッチ素子の数を低減することができる。

なお、図４、図５では加熱領域を５つとしているが、加熱領域の数を９分割など増やしてもよいし、３分割など減らしてもよい。また、加熱領域が複数に分かれていない加熱部材であっても本発明は有効である。

以下より、本発明の特徴的部分について説明する。
図６は、加熱部材、伝熱部材及び支持部材の関係を示す、用紙搬送方向と直交する方向の断面図である。図６に示すように、支持部材５７は、用紙搬送方向に所要の支持間隔を有して伝熱部材５０と接している。支持部材５７は、熱伝導率の低いＬＣＰなどの耐熱性樹脂で作られており、一部の面でのみ伝熱部材５０と接しているので、加熱部材５６の抵抗発熱体５６ａから伝熱部材５０へ伝達された熱は支持部材５７へほとんど伝達されない。支持部材５７とは反対側にある加熱部材５６は、一方の面が伝熱部材５０と面接触し、他方の面が回転駆動される定着ベルト２８と面接触している。支持部材５７と接触していない伝熱部材５０の表面領域は、基材５６ｂの表面領域と接し、伝熱部材５０が加熱部材５６と接する面積は基材５６ｂの表面領域と同一である。

従来、用紙エッジが複数の加熱領域（例えば、図４，５のＨ１〜Ｈ５）の各中央付近を通過するようなサイズの用紙を連続で定着する場合、用紙エッジの外側にある定着ベルトの長手方向の部分は、熱が用紙に奪われないため２００℃以上の高温になり、定着ベルトが劣化したり、加熱部材、特に図３に示す発熱部のオーバーコート層５６ｃに割れやクラックが発生したりする不具合があった。だが、上記のように構成することで、抵抗発熱体５６ａの過剰な熱を、抵抗発熱体と反対側の基材５６ｂに接触する広範囲の伝熱面を有する伝熱部材５０に逃がし、長手方向に拡散させることで、抵抗発熱体や定着ベルト２８における熱の偏りを効果的に均一化でき、上記不具合を解消できる。

また、伝熱部材５０には、銅又はアルミニウムなどの熱伝導率の高い材料（例えば金属）が用いられる。そのため、加熱部材５６（抵抗発熱体５６ａ）の長手方向で発熱に偏りがある場合、熱は裏側の基材５６ｂを介して伝熱部材５０によって長手方向に伝導され、均一化される。また、伝熱部材５０と加熱部材５６が貼付により一体形成されると好ましい。加熱部材５６の基材５６ｂがガラスである場合、加熱部材５６は長手方向に細長い形状の脆性材料なので扱いが難しく、加熱部材５６の支持部材５７への組み付け装着時に、加熱部材５６が応力集中により割れてしまうことがあった。上記のように伝熱部材５０と加熱部材５６を一体で形成することで、伝熱性が低く摺動性に優れる脆性材料であるガラスで基材５６ｂを形成しても応力集中が避けられ割れやクラックを防ぐことができる。

図７は伝熱部材５０の斜視図、図８は伝熱部材５０と加熱部材５６の貼付方法を示す図である。
図示のように、伝熱部材５０は接着剤を充填するための複数の開口部である丸穴７０を長手方向に備えている。加熱部材５６は、伝熱部材５０と略同形状、同面積を有する。図８（ａ）に示すように、伝熱部材５０を加熱部材５６の抵抗発熱体５６ａが形成されていない表面上に載置する。次いで、図８（ｂ）に示すように、丸穴７０にシリコン系の耐熱接着剤７１などを充填・乾燥させることで、接着面を介して伝熱部材５０と加熱部材５６を密着しながら一体形成することができる。また、丸穴７０以外の領域に接着剤を付着させずに伝熱部材５０と加熱部材５６を接着剤で一体に貼付することができる。伝熱部材５０と加熱部材５６の接触面には開口部以外接着剤が介在しないため、接着剤による熱抵抗（熱伝達の阻害）を極力抑えることができる上、伝熱部材５０と加熱部材５６を強固に密着させ、良好な熱伝達を達成できる。

また、伝熱部材５０と加熱部材５６の基材５６ｂ間における、線膨張係数の差により生じる２５０℃での長手方向の膨張長さの差分よりも大きく剪断方向に変形可能な柔らかい耐熱接着剤を用いると好ましい。具体的には、シリコン系の耐熱接着剤などを用いることで、伝熱部材５０と加熱部材５６の基材５６ｂを密着させながら高温時の線膨張に対しても接着剤を柔軟に変形させることができ、両者の膨張差による割れや撓みを防ぐことができ、良好な密着状態を確保できる。

図８（ａ）に示すように、丸穴７０の片側又は両側はＣ０．３ｍｍ以上の面取り部７２を有すると好ましい。ここで、「Ｃ」は面取り角度が４５°で有ることを示し、「Ｃ０．３ｍｍ」はそれぞれの面から０．３ｍｍの辺を切り落とすことを示す。面取りを施すことで、伝熱部材５０と加熱部材５６の基材５６ｂの接着面積が増えるため、伝熱部材５０と加熱部材５６をより強固に接着できるようになる。また面取りを施すことで、丸穴のバリを除去することができ、バリによる浮きを防止して良好な密着状態を確保することができる。

４ 給紙手段
６ レジストローラ対
８ 感光体ドラム
１０ 転写手段
１２ 定着装置
１４ 給紙トレイ
１６ 給紙コロ
１８ 帯電ローラ
２０ ミラー
２２ 現像手段
２２ａ 現像ローラ
２４ クリーニング手段
２４ａ クリーニングブレード
２６ 露光部
２８ 定着ベルト（定着部材）
３０ 加圧ローラ（加圧部材）
３０ａ 芯金
３０ｂ 弾性層
３４ 第１サーミスタ
３６ 第２サーミスタ
４０ 電源
４２ 加熱制御手段
５０ 伝熱部材
５６ 加熱部材
５６ａ 抵抗発熱体
５６ｂ 基材
５６ｃ オーバーコート層
５７ 支持部材
６０ 加熱手段
６１ ステー
Ｐ 用紙（記録材）
ＳＮ 定着ニップ部

特許３４７８６９７

Claims (8)

1. 未定着画像に接して回転する定着部材と、
   前記定着部材との間で定着ニップ部を形成する加圧部材と、
   記録材搬送方向と直交する方向に伸びて前記定着部材の内周面に熱伝達する長尺状の加熱部材と、
   前記加熱部材と接して前記加熱部材の熱を長手方向に伝達する伝熱部材と、
   前記加熱部材と接していない前記伝熱部材の面から前記加熱部材と前記伝熱部材を支持する支持部材と、を備え、
   前記定着ニップ部に未定着画像を担持した記録材を通して画像定着を行う定着装置において、
   前記加熱部材は、基材と、前記基材上に記録材搬送方向と直交する方向に配置される独立して制御可能な複数の加熱領域と、を有し、
   前記支持部材は、記録材搬送方向に所要の支持間隔を有して前記伝熱部材に接しており、
   前記伝熱部材は接着剤を充填するための複数の開口部を長手方向に有し、前記開口部以外の領域に前記接着剤を付着させずに前記伝熱部材と前記加熱部材が前記接着剤で一体に貼付されている、ことを特徴とする定着装置。
2. 前記伝熱部材は金属であり、前記支持部材は耐熱性樹脂である、ことを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記加熱部材は、前記伝熱部材と同形状、同面積を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
4. 前記伝熱部材と前記加熱部材が貼付により一体形成されている、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の定着装置。
5. 前記接着剤は、前記伝熱部材と前記加熱部材の前記基材との間における、線膨張係数の差により生じる２５０℃での長手方向の膨張長さの差分よりも大きく剪断方向に変形可能な耐熱接着剤である、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の定着装置。
6. 前記開口部の片側又は両側はＣ０．３ｍｍ以上の面取り部を有する、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の定着装置。
7. 前記加熱部材の前記基材がガラスで構成されている、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の定着装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の定着装置を備えることを特徴とする画像形成装置。

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