JP6763350B2 - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、トナー像を用紙に定着する定着装置及びこの定着装置を備えた画像形成装置に関する。

複写機、プリンター、ファックス、複合機などの電子写真方式の画像形成装置は、トナー像を用紙に定着する定着装置を備えている。フルカラー画像形成装置には、熱源によって加熱される無端状の定着ベルトと、定着ベルトの内周側に設けられる定着ローラーと、定着ベルトを介して定着ローラーに圧接される加圧ローラーと、を備える定着装置が用いられる場合がある。この定着装置では、定着ベルトと加圧ローラーとの間に形成される加圧領域に用紙を通紙することで、トナー像が加熱及び加圧されて用紙に定着される。

一般に、定着ローラーは、アルミニウム、鉄、ステンレス鋼等で形成された芯金と、芯金の外周面に設けられるシリコーンゴムや発泡樹脂等で形成された弾性層と、を有している。加圧ローラーは、アルミニウム、鉄、ステンレス鋼等で形成された芯金と、芯金の外周面に設けられるシリコーンゴム等で形成された弾性層と、弾性層の外周面に設けられるＰＦＡチューブ等で形成された離型層と、を有している。定着ベルトは、ニッケル等で形成された基材層と、基材層の外周面に設けられる弾性層と、弾性層の外周面に設けられる離型層と、を有している。

熱源としては一般にＩＨヒーターが使用される。ＩＨヒーターのコイルが励磁されて発生した磁束によって、定着ベルトの基材層に渦電流が発生して基材層が発熱し、定着ベルトが加熱される。

しかしながら、ＩＨヒーターによって定着ベルトを誘導加熱すると、ＩＨヒーターから発生した磁束が定着ベルトの基材層を貫通して芯金に達することがある。この貫通した磁束によって芯金が発熱すると、定着ローラーの弾性層が加熱されて硬化し、場合によっては破損する虞がある。

そこで、特許文献１には、ステンレス鋼で形成された芯金の外周面に、アルミニウム等の非磁性材料で形成された非磁性金属層を設けた定着ローラーを備える定着装置が記載されている。また、特許文献２には、非磁性金属で形成された芯金の外周面に、磁性分を混合したシリコーンゴム層を設けた定着ローラーを備える定着装置が記載されている。

特開２０１４−１０６３４６号公報 特許第４０１５１１４号

しかしながら特許文献１に記載された定着装置においては、芯金と非磁性金属層との熱膨張率が異なっているので、その熱膨張率の差によっては、いずれかが破損してしまう虞がある。また、特許文献２に記載された定着装置においては、加工性や材料費を考慮するとコスト高となってしまう。

本発明は上記事情を考慮し、定着ローラーの芯金の温度上昇を容易に抑制できる定着装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の定着装置は、回転可能な芯金と該芯金の外周面に設けられる弾性層とを有する定着ローラーと、前記定着ローラーに外嵌される無端状の定着ベルトと、通電されることで発熱して、前記定着ベルトを制御温度に加熱するＩＨヒーターと、前記定着ベルトを介して前記定着ローラーに押し当てられて、トナー像が転写された用紙が通過する加圧領域を形成する加圧部材と、前記芯金の回転軸方向の端部の温度を検知する温度検知手段と、前記温度検知手段で検知された温度が所定温度よりも高い場合に、前記芯金の端部を冷却する冷却装置と、を備えていることを特徴とする。

本発明の定着装置において、前記冷却装置は、前記芯金の端部に向かって気流を発生する送風ファンを有していることを特徴としても良い。

本発明の定着装置において、前記冷却装置は、前記送風ファンで発生した気流を前記芯金の端部に導くダクトを有していることを特徴としても良い。

本発明の定着装置において、前記ダクトは、前記芯金の端部に向かって断面積が狭くなるように形成されていることを特徴としても良い。

本発明の定着装置において、前記定着ベルトの前記回転軸方向の端面に対向して配置される寄り止め部材をさらに備え、前記寄り止め部材は、前記ダクトの出口と前記定着ベルトとの間に配置されて、前記ダクトから前記定着ベルトに向かう前記気流を遮断していることを特徴としても良い。

本発明の定着装置において、前記冷却装置は、前記芯金の両端部のそれぞれに設けられていることを特徴としても良い。

本発明の定着装置において、前記所定温度は、前記制御温度以上、且つ、前記弾性層の耐熱温度未満であることを特徴としても良い。

本発明の画像形成装置は、用紙にトナー像を形成する画像形成部と、前記のいずれかに記載の定着装置と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、芯金の温度が上昇した場合に、芯金の端部を冷却するので芯金の温度上昇を抑制できる。

本発明の一実施形態に係るカラープリンターの概略を模式的に示す正面図である。 本発明の一実施形態に係る定着装置の側面断面図である。 本発明の一実施形態に係る定着装置の正面断面図である。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る定着装置及び画像形成装置について説明する。

まず、図１を参照して、画像形成装置としてのカラープリンター１の全体の構成について説明する。図１はカラープリンターの内部構成を模式的に示す正面図である。以下の説明において、図１に示す前後方向をカラープリンター１の前後方向とし、左右方向は、カラープリンター１を前側から見た方向を基準とする。各図に示すＦｒ、Ｒｒ、Ｌ、Ｒは、それぞれカラープリンター１の前側、後側、左側、右側を示す。

カラープリンター１には、用紙Ｓが収容される給紙カセット３と、給紙カセット３から用紙Ｓを送り出す給紙装置５と、用紙Ｓにフルカラーのトナー像を形成する画像形成部７と、トナー像を用紙Ｓに定着する定着装置９と、用紙Ｓを排出する排紙装置１１と、排紙された用紙Ｓを受け止める排紙トレイ１３と、が設けられている。さらに、カラープリンター１には、給紙装置５から画像形成部７と定着装置９とを通って排紙装置１１まで用紙Ｓが搬送される搬送経路１５が形成されている。

次に、図２及び図３を参照して、定着装置９について説明する。図２は定着装置を示す正面断面図、図３は定着装置を示す側面断面図である。

図２や図３に示されるように、定着装置９は、定着ローラー２１と、定着ローラー２１に外嵌される定着ベルト２３と、定着ベルト２３の外周面に対向して設けられるＩＨヒーター２５と、定着ベルト２３を介して定着ローラー２１に押し当てられる加圧部材としての加圧ローラー２７と、定着ローラー２１の温度を検知する温度検知手段としての温度検知センサー２９と、定着ローラー２１の両端部に設けられる冷却装置３１と、定着ベルト２３の両端面の外側に設けられる寄り止め部材３３と、を備えている。さらに、定着装置９は、温度検知センサー２９及び冷却装置３１が電気的に接続する制御部３５を備えている。

定着ローラー２１は、回転軸としての芯金４１と、芯金４１の外周面に設けられた弾性層４３と、を有している。芯金４１は、回転軸方向の中央に設けられる本体部４５と、回転軸方向において本体部４５の両外側に設けられて本体部４５よりも小径の両端部４７と、有している。両端部４７の各々には、円周方向に沿った内環状溝４７ａと外環状溝４７ｂとが、回転軸方向に所定の間隔を開けて形成されている。内環状溝４７ａと外環状溝４７ｂとによって、各端部４７は、内側から順に、最内部４７ｃと、中央部４７ｄと、最外部４７ｅと、に分けられている。芯金４１は、例えば、アルミニウムで形成されている。

弾性層４３は、芯金４１の本体部４５の外周面に設けられている。弾性層４３の回転軸方向の両端には、小径の段部４３ａが形成されている。弾性層４３は、例えば、発泡性のシリコーンゴムで形成されている。

芯金４１の両端部４７の中央部４７ｄには、それぞれブッシュ５１を介してベアリング５３が取り付けられている。ベアリング５３は、定着ハウジング（図示省略）に支持されている。これにより、定着ローラー２１は、芯金４１を中心として回転可能に定着ハウジングに支持されている。

定着ベルト２３は、所定の内径を有し、用紙Ｓが通紙される通紙領域よりも長い幅を有する無端状ベルトである。定着ベルト２３は、基材層２３ａと、基材層２３ａの外周面に設けられる弾性層２３ｂと、弾性層２３ｂの外周面に設けられる離型層２３ｃと、を有している。基材層２３ａは、例えば、厚さは３０μｍのニッケルで形成される。弾性層２３ｂは、例えば、厚さは２００μｍのシリコーンゴムで形成される。離型層２３ｃは、例えば、厚さ３０μｍのＰＦＡチューブで形成される。定着ベルト２３の温度は、サーミスタ３７によって計測されるようになっている。サーミスタ３７は制御部３５と電気的に接続して、検知された温度が制御部３５に送信される。

定着ベルト２３は、定着ローラー２１に所定のクリアランスを介して外嵌されている。

ＩＨヒーター２５は、コイル部２５ａと、コイル部２５ａを巻線状に保持するコイルボビン２５ｂと、アーチコア２５ｃと、を有している。コイル部２５ａは、高周波の交流電圧が印加されると励磁して、磁界を発生させる。

ＩＨヒーター２５は、定着ベルト２３の上半分を覆っている。ＩＨヒーター２５のコイル部２５ａが励磁されると、発生した磁束によって定着ベルト２３の基材層２３ａに渦電流が発生して基材層２３ａが発熱し、定着ベルト２３が加熱される。

加圧ローラー２７は、芯金２７ａと、芯金２７ａの外周面に設けられる弾性層２７ｂと、弾性層２７ｂの外周面に設けられる離型層（図示省略）と、を有している。芯金２７ａは、例えば、アルミニウムで形成される。弾性層２７ｂ、例えば、シリコーンゴムで形成される。離型層は、例えば、厚さ５０μｍのＰＦＡチューブで形成される。

加圧ローラー２７は、定着ローラー２１の下方で定着ハウジングに支持されて、定着ベルト２３を介して定着ローラー２１に圧接して加圧領域Ｎを形成している。また、加圧ローラー２７は、駆動源（図示省略）に接続して回転駆動される。駆動源によって加圧ローラー２７が図２の反時計回り方向に回転すると、定着ベルト２３と定着ローラー２１とは、加圧ローラー２７の回転方向とは反対の時計回り方向に従動回転する。これにより、搬送された用紙Ｓが加圧領域Ｎを通過する。

なお、加圧ローラー２７が定着ローラー２１に圧接されると、図３に示されるように定着ローラー２１の弾性層４３が加圧されて変形する。この変形に伴って、定着ベルト２３の両端部は、弾性層４３の段部４３ａ内で内側へ屈曲するように変形する（図３参照）。

温度検知センサー２９は、温度検知素子と、温度検知素子を支持する支持部材と、を有している。温度検知素子は、例えば、サーミスタである。支持部材は、スポンジ等の支持体と、支持体を定着ハウジングに支持する板バネと、を有している。温度検知素子は、支持体の一側面に取り付けられて、耐熱フィルム等で覆われている。支持部材は定着ハウジングに支持されて、温度検知素子が、定着ローラー２１の芯金４１の両端部４７の最外部４７ｅに所定の圧力で接触している。温度検知センサー２９で検知された温度は、制御部３５に送信される。

冷却装置３１は、送風ファン６１と、送風ファン６１から定着ローラー２１の芯金４１の両端部４７へ向かうダクト６３と、を有している。ダクト６３の出口は、各端部４７の最外部４７ｅの外周面へ面している。また、ダクト６３は出口に向かって、断面積が小さくなるように形成されている。送風ファン６１の動作は、制御部３５によって制御される。

寄り止め部材３３は、リング形状を有している。寄り止め部材３３の外径は、定着ベルト２３の外径よりも大きい。寄り止め部材３３は、定着ローラー２１の芯金４１の両端部４７の最内部４７ｃに回転可能に嵌合して、定着ベルト２３の端面に所定の間隔を開けて対向している。

さらに、定着装置９は、図２に示されるように、加圧領域Ｎよりも用紙搬送方向上流側に設けられる用紙進入ガイド６７と、加圧領域Ｎよりも用紙搬送方向下流側に設けられる分離部材６９と、を備えている。用紙進入ガイド６７は、加圧領域Ｎに向かって上方に傾斜するように搬送経路１５に沿って配置されている。分離部材６９は、定着ベルト２３の回転方向に対してカウンター方向から定着ベルト２３の表面に向かうように支持されている。

上記構成を有する定着装置９の定着動作について説明する。まず、加圧ローラー２７が駆動されて回転し、定着ベルト２３と定着ローラー２１とは、加圧ローラー２７の回転方向とは反対の図２の時計回り方向に従動回転する。同時に、ＩＨヒーター２５が駆動されて定着ベルト２３を加熱する。定着ベルト２３は、サーミスタ３７で計測される温度が所定の制御温度（例えば、１６０℃）となるまで加熱される。このように定着ベルト２３が加熱された後、トナー像が転写された用紙Ｓが、用紙進入ガイド６７に案内されて加圧領域Ｎに搬送される。用紙Ｓは加圧領域Ｎを通過時に定着ベルト２３によって加熱されると共に加圧ローラー２７と定着ローラー２１とによって加圧されて、トナー像が用紙Ｓに定着される。トナー像が定着された用紙Ｓは、先端が分離部材６９によって定着ベルト２３から分離されて、搬送経路１５に沿って搬送される。

前記の定着動作において、ＩＨヒーター２５によって発生した磁束の大半は、定着ベルト２３の基材層２３ａの発熱に寄与するが、一部の磁束は基材層２３ａを貫通して定着ローラー２１の芯金４１に到達する。芯金４１は非磁性材料であるアルミニウムで形成されているが、微小な抵抗によって貫通した磁束が渦電流を発生して芯金４１が発熱する場合がある。定着動作が短時間であれば芯金４１の上昇温度は高くないが、印字動作が連続して定着動作が長時間行われた場合、芯金４１の温度は上昇し続けてしまう。

そこで、制御部３５は、温度検知センサー２９で計測された温度が所定の温度に達すると、冷却装置３１を動作するように制御する。所定の温度は、定着ベルト２３の制御温度（１６０℃）以上、且つ、定着ローラー２１の弾性層４３の耐熱温度（例えば、２３０℃）未満であり、一例で、２１０℃である。制御温度以上の場合、定着ローラー２１の表面と芯金４１との温度が同じであれば、芯金４１に流れる熱量はほとんどないと考えられる。

このように冷却装置３１を動作させることで、送風ファン６１からダクト６３を通って芯金４１の両端部４７の主に最外部４７ｅに気流が吹き付けられて、最外部４７ｅから芯金４１が冷却される。これにより、定着ベルト２３は定着可能な温度に維持されると共に、定着ローラー２１の弾性層４３の熱硬化が防止される。また、制御部３５は、冷却装置３１を動作させてから、温度検知センサー２９が、芯金４１の端部４７の温度が所定の温度に下降したことを検知すると、冷却装置３１の動作を停止する。所定の温度は、制御温度よりも高い温度であり、一例で１９０℃である。このように冷却装置３１の動作を制御することで、定着ローラー２１の温度は十分に熱飽和した状態に維持される。

上記説明したように本発明の定着装置９においては、芯金４１の温度が所定温度以上に加熱された場合に、芯金４１を冷却する冷却装置３１を設けている。これにより、芯金４１の温度上昇を防ぐことができるので、熱硬化による弾性層４３の破損を防止できる。また、定着ローラー２１が十分に熱飽和した状態に維持されるので、次回の定着動作時に定着ローラー２１が温度不足になることはない。

さらに、冷却装置３１のダクト６３は、芯金４１の端部４７に向かって断面積が狭くなるように形成されているので、送風ファン６１で発生した気流を端部４７に集中させて、効率的に端部４７を冷却することができる。また、端部４７を集中的に冷却することで、温度検知センサー２９で検知される温度が変動しにくくなり、芯金４１の温度をより厳密に管理することができる。端部４７の周辺に送風ファン６１を設置するスペースを確保し難い場合は、空いているスペースに送風ファン６１を設置し、送風ファン６１から端部４７に延びるダクトを設ければよい。なお、冷却装置３１として、送風ファン６１のみを設けても良い。この場合、送風ファン６１を芯金４１の端部４７に近接して配置すれば、端部４７を集中して冷却することができる。

さらに、芯金４１の両端部４７のそれぞれを冷却装置３１で冷却するので、芯金４１を迅速に冷却することができる。なお、冷却装置３１は、芯金４１の一方の端部４７にのみ設けても良い。

さらに、ダクト６３の出口と定着ベルト２３との間には寄り止め部材３３が配置されているので、ダクト６３から排気された気流は、寄り止め部材３３に遮られて定着ベルト２３に達しない。したがって、定着ベルト２３の温度低下が生じず、定着動作に支障を来さない。

本実施形態では、冷却装置３１のダクト６３の出口が最外部４７ｅに対向しているが、ダクト６３の出口が、寄り止め部材３３とベアリング５３との間の最内部４７ｃと中央部４７ｄに対向しても良い。このようにすることで、より狭い部分に集中して気流を吹き付けることができるので、芯金４１をより効率的に冷却できる。この場合、ダクト６３の出口と定着ベルト２３とが近接するが、前述のように寄り止め部材３３によって定着ベルト２３の方向への気流が遮られるので、定着ベルト２３の温度低下は生じない。

本実施形態では、冷却装置３１として送風ファン６１とダクト６３とを用いたが、他の実施形態では、冷却装置３１としてヒートシンクやペルチェ素子を用いた吸熱板を用いることができる。この場合、温度検知センサー２９で計測された温度が所定の温度に達した場合に、吸熱板を芯金４１に接触するように設ける。

さらに、上記した本発明の実施形態の説明は、本発明に係る定着装置及び画像形成装置における好適な実施の形態を説明しているため、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。すなわち、上記した本発明の実施の形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、かつ、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能であり、上記した本発明の実施の形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

１ カラープリンター（画像形成装置）
７ 画像形成部
９ 定着装置
２１ 定着ローラー
２３ 定着ベルト
２５ ＩＨヒーター
２７ 加圧ローラー（加圧部材）
２９ 温度検知センサー（温度検知手段）
３１ 冷却装置
３３ 寄り止め部材
４１ 芯金
４３ 弾性層
６１ 送風ファン
６４ ダクト

Claims (5)

1. 回転可能な芯金と該芯金の外周面に設けられる弾性層とを有する定着ローラーと、
   前記定着ローラーに外嵌される無端状の定着ベルトと、
   通電されることで発熱して、前記定着ベルトを制御温度に加熱するＩＨヒーターと、
   前記定着ベルトを介して前記定着ローラーに押し当てられて、トナー像が転写された用紙が通過する加圧領域を形成する加圧部材と、
   前記芯金の回転軸方向の端部の温度を検知する温度検知手段と、
   前記温度検知手段で検知された温度が所定温度よりも高い場合に、前記芯金の端部を冷却する冷却装置と、
   前記定着ベルトの前記回転軸方向の端面に対向して配置される寄り止め部材と、を備え、
   前記冷却装置は、
   前記芯金の端部に向かって気流を発生する送風ファンと、
   前記送風ファンで発生した気流を前記芯金の端部に導くダクトと、を有し、
   前記寄り止め部材は、前記ダクトの出口と前記定着ベルトとの間に配置されて、前記ダクトから前記定着ベルトに向かう前記気流を遮断していることを特徴とする定着装置。
2. 前記ダクトは、前記芯金の端部に向かって断面積が狭くなるように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。
3. 前記冷却装置は、前記芯金の両端部のそれぞれに設けら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. 前記所定温度は、前記制御温度以上、且つ、前記弾性層の耐熱温度未満であ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. 用紙にトナー像を形成する画像形成部と、
   トナー像を用紙に定着する請求項１〜４のいずれか１項に記載の定着装置と、を備えていることを特徴とする画像形成装置。

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