JPH05119648A

JPH05119648A - 熱定着装置

Info

Publication number: JPH05119648A
Application number: JP27963491A
Authority: JP
Inventors: Masao Mitani; 正男三谷; Susumu Takahashi; 進高橋; Shunichi Tsumura; 俊一津村; Atsushi Iwasaki; 淳岩崎; Naoki Oda; 直己尾田; Junichi Matsuno; 順一松野
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1991-10-25
Filing date: 1991-10-25
Publication date: 1993-05-18

Abstract

(57)【要約】【目的】しわの発生しない寿命的にも問題のないメタ
ルベルトを持つ熱定着器を提供すること。【構成】発熱部材を備えたローラが、支持体を兼ねる
冷却構造体８とヒータ６からなる一体構造型加熱冷却デ
バイス１と、デバイス１と接して回転し、像支持体４と
接する外側表面を非粘着表面加工した薄いエンドレスメ
タルベルト２と、ベルト２に張力を与えながらベルト２
を回転駆動させる駆動用ローラ３からなり、ベルト２の
温度を、一体構造型加熱冷却デバイス１のヒータ６の最
高温度部分（点Ｃ）でトナーの融点よりも少なくとも高
い温度とし、像支持体４がベルト２から離型する箇所
（点Ｄ）でトナーのガラス転移点付近またはそれ以下の
温度にすると共に、ベルト２の回転方向の最大温度勾配
を１５℃／ｍｍ以下とすることを可能ならしめる熱定着
装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子写真等の画像形成装
置の熱定着装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子写真記録装置に不可欠な熱定着器に
は熱板式、圧力式、ヒートローラ式等いくつかの方式が
実用化されているが、ここ１０〜２０年間の主流はヒー
トローラ式である。しかし、この方式にも欠点があり、
稼動開始までの時間（定着温度になるまでの昇温時間）
が長くて消費電力も大きく、これらが電子写真記録装置
全体の性能に悪い影響を及ぼしているのが現状である。

【０００３】これらを抜本的に改善する方法として、
（株）キャノンが平成２年２月より製品に採用している
のがＳＵＲＦ方式と名付けられた定着器で、昇温時間を
約５秒と大巾に短縮し、しかも消費電力を半減させるこ
とに成功している。しかし、この方式にも寿命が短く部
品点数も多いという欠点がある。

【０００４】本発明者らは、このアイデアの優れた特徴
を全て生かしつつ、ＳＵＲＦ式定着器の抱える問題点を
抜本的に解決できるメタルベルトを用いる方式を発明
し、特許出願した（特願平２−２９３９８６号、特願平
２−３３９０７９号、特願平３−４９３９２号、「熱定
着装置」）。

【０００５】この定着器の第１の特徴はエンドレスメタ
ルベルトを用いていることで、これによって加熱器の発
生熱を記録紙上の未定着トナーに有効かつ迅速に伝えら
れるようになったことである。これは加熱器の温度を大
巾に低減させるとともに熱効率を改善することができ、
消費電力のさらなる低減を可能にした。

【０００６】そしてこの迅速かつ有効な熱伝達はトナー
溶融後の急速冷却を可能とし、小型の一体構造型加熱冷
却デバイスを用いることでトナーのオフセット現象を抜
本的に改善することができた。これが第２番目の特徴で
ある。

【０００７】第３の特徴はこの加熱器のヒータにＰＴＣ
ヒータ素子を活用できるようになったことである。良く
知られているように、ＰＴＣヒータ素子はそれ自身の低
い熱伝導率のために加熱能力に限界があり、大きな発熱
量の必要な熱定着器には実用化された例はなかった。し
かし、前記本発明者らの発明した定着器の低消費電力と
迅速な熱伝達、並びにＰＴＣヒータ素子周りの熱容量を
非常に小さくできる構造がこの素子を活用できる条件を
整えることになり、実験室での試験によれば定着速度で
２５枚（Ａ４）／分も実現できている。このＰＴＣヒー
タは温度計と制御電源を素子自身の中に持っていると言
えるもので、今までの熱定着器に不可欠であったこれら
の部品が全く不要となっている。

【０００８】第４の特徴はメタルベルトの表面に被覆す
るフッ素樹脂層との密着性を問題のないレベルにするこ
とが容易であることである。前記したＳＵＲＦ式定着器
の寿命が短い理由の一つは、ポリイミド樹脂によって作
られたエンドレスベルトの表面に被覆したフッ素樹脂が
使用中に剥離することによる。これらの特徴の他に、今
まではしわの発生防止が不可能であった封筒などへの定
着が可能になるなど、多くの優れた実用的特徴を持って
いる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記した本発明者の発
明した定着器はメタルベルトへの加熱条件に配慮の欠け
ていたことがこの方式の実用化段階で顕在化した。特に
紙巾の広いＢ４サイズとかＡ３サイズの記録紙用定着器
で問題が発生した。

【００１０】すなわち、メタルベルトを一体構造型加熱
冷却デバイスで加熱冷却する時、その温度勾配が大き過
ぎるとメタルベルトの局所的な膨張量を円滑に吸収する
ことができなくなり、メタルベルトに「しわ」が発生す
る。そして、この「しわ」の大きさによっては回転して
いるメタルベルトを短時間の内に折ってしまい、破断さ
せてしまうという問題が発生することが判明した。

【００１１】本発明の目的は、上記「しわ」の発生しな
い寿命的にも問題のないメタルベルトを持つ熱定着器を
提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するために次の基本的構成を採用する。すなわち、少
なくとも一方に発熱部材を備えた互いに圧接回転する一
対のローラと、未定着トナー像を持つ像支持体を上記ロ
ーラ間に通過させて該未定着トナー像を熱溶融定着させ
る熱定着装置であり、上記発熱部材を備えたローラが、
支持体を兼ねる冷却装置と発熱部材からなる一体構造型
加熱冷却デバイスと、該一体構造型デバイスと接して回
転し、像支持体と接する外側表面を非粘着表面加工した
薄いエンドレスメタルベルトと、該エンドレスメタルベ
ルトに張力を与えながら該エンドレスメタルベルトを回
転駆動させる駆動用ローラからなる熱定着装置におい
て、前記エンドレスメタルベルトの温度を、前記一体構
造型加熱冷却デバイスの発熱部材の最高温度部分で前記
トナーの融点よりも少なくとも高い温度とし、像支持体
がエンドレスメタルベルトから離型する箇所では前記ト
ナーのガラス転移点付近またはそれ以下の温度に下げる
と共に、エンドレスメタルベルトの回転方向の最大温度
勾配を１０℃／ｍｍ以下とすることを可能ならしめる一
体構造型加熱冷却デバイスを用いることを特徴とする熱
定着装置である。

【００１３】

【作用】エンドレスメタルベルトの温度を、一体構造型
加熱冷却デバイスの発熱部材の最高温度部分で前記トナ
ーの融点よりも少なくとも高い温度とすることで、トナ
ーの溶融を確実とし、また、像支持体がエンドレスメタ
ルベルトから離型する箇所では前記トナーのガラス転移
点付近またはそれ以下の温度にすることで、トナーのオ
フセットを防ぐことができる。そして、エンドレスメタ
ルベルトの回転方向の最大温度勾配を１０℃／ｍｍ以下
となるようにエンドレスメタルベルトを加熱すれば、エ
ンドレスメタルベルトにしわの発生がなくなる。

【００１４】前記しわの発生しない限界値が存在するこ
とは定性的に明らかであるが、この限界値はベルトの材
質（熱膨張係数、弾性率など）、厚さ、巾、などに依存
し、一体構造型加熱冷却デバイスの形状にも関係してい
るが、これを理論的に求めることは難しく、本発明では
これを実験的に求めたものである。

【００１５】

【実施例】本発明の実施例を図面と共に説明する。な
お、既に述べたように、本実施例は本発明者らの特許出
願発明（特願平２−２９３９８６号、特願平２−３３９
０７９号、特願平３−４９３９２号、「熱定着装置」）
に関連するものであり、前記各特許発明の実施例の熱定
着装置もそのまま、本実施例の熱定着装置としても使用
できる。

【００１６】図１は本実施例の熱定着装置の断面図であ
る。熱定着装置は一体構造型加熱冷却デバイス１、外側
表面を非粘着表面加工したエンドレスメタルベルト２、
エンドレスメタルベルト２を一体構造型加熱冷却デバイ
ス１に密着させながら回転駆動させるドライブローラ３
および一体構造型加熱冷却デバイス１に数ｋｇの力で押
しつけられながら従動回転する加圧ローラ５からなって
いる。記録紙４が図１に示すようにエンドレスメタルベ
ルト２と加圧ローラ５間で狭送される間に、記録紙４上
の未定着トナーはエンドレスメタルベルト２を介して点
ＢＣ間で加熱、溶融され、記録紙４内への浸透が起こ
り、点ＣＤ間で直ちに冷却される。このため記録紙４が
Ｄ点で離型する時にはトナーの粘度が高くなってエンド
レスメタルベルト２側へのオフセットが見られないとい
う特徴を持っている。

【００１７】さて、本実施例の最大の特徴は、一体構造
型加熱冷却デバイス１で加熱冷却されるエンドレスメタ
ルベルト２の温度を図１に示す各点において表１に示す
ように調節してエンドレスメタルベルト２を保護するこ
とにある。

【００１８】（表１）エンドレスメタルベルトの温度（℃）高融点トナーを用いる場合低融点トナーを用いる場合Ａ点５０５０Ｂ点８０７０Ｃ点１６０１３０Ｄ点７０６０Ｅ点５０５０Ｆ点２０〜５０２０〜５０

【００１９】高融点トナー（融点約１６０℃）を用いる
場合を例に説明すると、一体構造型加熱冷却デバイス１
に接する直前（Ａ点）のエンドレスメタルベルト２の温
度は約５０℃であるが、これをヒータ端部（Ｂ点）にく
るまでに約３０℃昇温させて、８０℃程度まで予備加熱
する。更に加熱中央部を摺動させながら通過する間（点
ＢＣ間）に約８０℃昇温させて、１６０℃まで加熱し、
その直後から冷却させて記録紙４が一体構造型加熱冷却
デバイス１から離れる箇所（Ｄ点）では約７０℃まで降
温させる。さらにエンドレスメタルベルト２が一体構造
型加熱冷却デバイス１から離れる箇所（Ｅ点）でのエン
ドレスメタルベルト２の温度を約５０℃まで下げる。エ
ンドレスメタルベルト２はドライブローラ３を廻る間に
更に冷却されて４０〜５０℃となり前記Ａ点に戻る。な
お、このような温度勾配が生じるのはエンドレスメタル
ベルト２が回転駆動することによることは説明するまで
もない。

【００２０】上記のような温度分布で定着実験を行った
ところ、Ａ４サイズ記録紙で１５万枚の連続試験でも何
ら異常は観察されなかった。この評価実験でのエンドレ
スメタルベルト２の回転方向の最大温度勾配は８℃／ｍ
ｍであったが、１０℃／ｍｍまで勾配を大きくしても問
題はなかった。しかし、１５℃／ｍｍでの定着実験でエ
ンドレスメタルベルト２の破断が発生した。我々の評価
結果では、Ａ３サイズ記録紙でこの温度勾配の限界値は
１０℃／ｍｍであった。

【００２１】以上の結果は最も容易に入手できるニッケ
ルベルトでのもので、これよりも膨張率の小さなＦｅ−
Ｎｉ合金薄板ベルトなどを用いるとこの限界値をもっと
大きくすることも可能である。しかしメタルベルトの製
造方法がニッケルベルトよりも難しい。また、銅系のメ
タルベルトは腐食の可能性が高く、適当でなく、更に、
コバルト系のメタルベルトでは電鋳で製作することが難
しく、コスト高につながる。したがって、低コストで腐
食などの心配のないニッケルベルトが最適材料と考えら
れる。

【００２２】さて、図１において、点ＢＣ間では一体構
造型加熱冷却デバイス１は加圧ローラ５の回転軸に垂直
な断面は平坦面としており、加圧ローラ５によるニップ
部はこの平坦面内に限定されるように設定され、少なく
ともエンドレスメタルベルト２の最高温度領域を含むよ
うにセットされなければならない。こうすることによっ
て加熱定着効率を向上させると共に、今まで不可能であ
った封筒などへの熱定着が見事にできるようになったの
である。

【００２３】一方、点ＡＢ間では一体構造型加熱冷却デ
バイス１の断面は１０〜５ｍｍ^Rの曲率で成型されてい
るが、これは記録紙４の導入を容易にすると共に、一体
構造型加熱冷却デバイス１とエンドレスメタルベルト２
の熱接触を良好に維持する上で重要である。同様に点Ｃ
Ｄ間では一体構造型加熱冷却デバイス１の前記断面は４
０〜１００ｍｍ^Rの曲率で成型されている。これは記録
紙４の溶融トナーがエンドレスメタルベルト２によって
充分冷却されるまで接触し続けさせるために大きな曲率
としているのと、一体構造型加熱冷却デバイス１とエン
ドレスメタルベルト２の熱接触を良好に維持させるため
である。但しＤ点でエンドレスメタルベルト２から記録
紙４が容易に離型してくれるよう、点ＤＥ間の一体構造
型加熱冷却デバイス１の前記断面の曲率は３〜７ｍｍ^R
と小さくする必要がある。この曲率の下限を決めるのは
エンドレスメタルベルト２の疲労限であり、２０〜３５
μｍ^tのニッケルベルトでの最小曲率は約３ｍｍ^Rであっ
た。

【００２４】以上の諸特性を可能とした一体構造型加熱
冷却デバイス１の具体的実施例の一例を図２に示す。こ
こで、一体構造型加熱冷却デバイス１はヒータ６、断熱
材７、冷却構造体８、断熱シート９、メタルシート１０
およびピアノ線１１、１１’で構成されている。そして
ヒータ６はエンドレスメタルベルト２と接触する側の冷
却構造体８の凹部に断熱材７を介して埋め込まれてい
る。ヒータ６としてはＰＴＣヒータを用いているが、も
ちろん他のヒータを用いても良い。但し、ＰＴＣヒータ
以外のヒータを用いると、温度検出用センサの設置と温
度制御用電源が必要となる。

【００２５】断熱材７は冷却構造体８とヒータ６を断熱
させるためのもので、耐熱性樹脂を用いている。冷却構
造体８は熱伝導率が高く、軽いアルミニウム押し出し成
型品が、コストも安く最適材料である。冷却構造体８の
エンドレスメタルベルト２と接触する側の表面は断熱シ
ート９とメタルシート１０からなる薄層で覆われてい
る。断熱シート９はメタルシート１０と冷却構造体８間
の断熱用に用いており、約１００μｍ^tのポリイミドシ
ートを用いた。これは、ヒータ６によって加熱されたメ
タルシート１０の熱がエンドレスメタルベルト２の予備
加熱に有効に利用されるように配慮したことと、組み立
て易く、低コストな一体構造型加熱冷却デバイス１を実
現させるために採用した構成である。

【００２６】メタルシート１０は一体構造型加熱冷却デ
バイス１の表面を平滑にし、組み立て易くするためのも
のであり、低膨張Ｆｅ−Ｎｉ合金薄板またはコバール薄
板の外側表面に潤滑性表面処理を行ったもので、厚さは
７５〜２００μｍ^tのものを用いた。前記潤滑性表面処
理としては、フッ素樹脂微粒子とかＭｏＳ₂微粒子を含
む分散ニッケルメッキを１０〜２０μｍの厚さで行った
が、もちろん、フッ素樹脂コートでも良く、エンドレス
メタルベルト２の回転は円滑で寿命的にも良好であっ
た。このメタルシート１０を冷却構造体８に密着させて
巻き、ピアノ線１１、１１’を用いて埋め込み、かしめ
て完全に固定させた。なお、メタルシート１０の材料と
して低膨張合金を用いたのは、エンドレスメタルベルト
２の「しわ」と同じ現象が発生するのを防止するためで
あり、これらの薄板材料を用いる限りは何ら問題は生じ
なかった。

【００２７】ここで用いている一体構造型加熱冷却デバ
イス１の長手方向（図１に示すデバイス１の紙面の垂直
方向）の形状は、直線状であるか、ゆるい中凸形状とし
ているが、これはメタルベルト２が摺動回転する時に前
記長手方向の中央に向かって移行する力を受けないよう
にするためである。このような力をエンドレスメタルベ
ルト２が受けると「しわ」が発生し易くなり、エンドレ
スメタルベルト２の寿命を短くする恐れがある。これを
避けるには、一体構造型加熱冷却デバイス１の長手方向
の形状が少なくとも中凹型でなければならない。

【００２８】なお、本実施例では対象としたトナーは高
融点型（定着温度が１６０℃）のものを用いた場合を述
べたが、最近は低融点タイプ（同１３０℃程度）が多く
用いられるようになってきた。この低融点トナーに対し
ても本実施例の高融点トナー用定着器で何ら問題なく熱
定着できることを確認しているが、加熱温度を必要以上
に高くしているために、熱効率の点では損失を大きくし
ている。この場合は、ＰＴＣヒータ６のキュリー点を下
げて１５０〜１６０℃とし、図１のＣ点の最高温度を約
１３０℃に下げた定着器を利用した方が良いことは説明
するまでもないことである（表１参照）。この場合、エ
ンドレスメタルベルト２の「しわ」発生防止はより易し
くなり、一体構造型加熱冷却デバイス１の大きさを、よ
り小さくすることが可能となる。これは消費電力を小さ
くできると共に、定着器の製造コストを低減させること
にも貢献している。

【００２９】

【発明の効果】以上、説明したように、特に高融点トナ
ー用のＡ３とかＢ４用紙サイズに適した大型の熱定着器
の実用化段階で発生したエンドレスメタルベルトの「し
わ」の問題は一体構造型加熱冷却デバイスの最適設計で
解決できるようになり、長寿命で高性能な熱定着器を実
用化することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる熱定着装置の一実施例を示す断
面図である。

【図２】一体構造型加熱冷却デバイスの一実施例を示
す断面図である。

【符号の説明】

１…一体構造型加熱冷却デバイス、２…エンドレスメタ
ルベルト、３…ドライブローラ、４…記録紙、５…加圧
ローラ、６…ヒータ、７…断熱材、８…冷却構造体、９
…断熱シート、１０…メタルシート、１１…ピアノ線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋進神奈川県横浜市磯子区磯子一丁目２番10号バブコツク日立株式会社横浜研究所内 (72)発明者津村俊一神奈川県横浜市磯子区磯子一丁目２番10号バブコツク日立株式会社横浜研究所内 (72)発明者岩崎淳神奈川県横浜市磯子区磯子一丁目２番10号バブコツク日立株式会社横浜研究所内 (72)発明者尾田直己神奈川県横浜市磯子区磯子一丁目２番10号バブコツク日立株式会社横浜研究所内 (72)発明者松野順一茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一方に発熱部材を備えた互い
に圧接回転する一対のローラと、未定着トナー像を持つ
像支持体を上記ローラ間に通過させて該未定着トナー像
を熱溶融定着させる熱定着装置であり、上記発熱部材を
備えたローラが、支持体を兼ねる冷却装置と発熱部材か
らなる一体構造型加熱冷却デバイスと、該一体構造型デ
バイスと接して回転し、像支持体と接する外側表面を非
粘着表面加工した薄いエンドレスメタルベルトと、該エ
ンドレスメタルベルトに張力を与えながら該エンドレス
メタルベルトを回転駆動させる駆動用ローラからなる熱
定着装置において、前記エンドレスメタルベルトの温度を、前記一体構造型
加熱冷却デバイスの発熱部材の最高温度部分で前記トナ
ーの融点よりも少なくとも高い温度とし、像支持体がエ
ンドレスメタルベルトから離型する箇所では前記トナー
のガラス転移点付近またはそれ以下の温度に下げると共
に、エンドレスメタルベルトの回転方向の最大温度勾配
を１０℃／ｍｍ以下とすることを可能ならしめる一体構
造型加熱冷却デバイスを用いることを特徴とする熱定着
装置。
【請求項２】前記一対のローラの回転軸に垂直な断面
のエンドレスメタルベルトとの当接側の形状が中央加熱
部では平坦で、中央加熱部の両側が凸型形状の曲率を持
つ一体構造型加熱冷却デバイスを持つことを特徴とする
請求項１記載の熱定着装置。
【請求項３】前記一対のローラの発熱部材を備えたロ
ーラに対向する加圧ローラのニップ部が一体構造型加熱
冷却デバイスの前記平坦な中央加熱部内にあることを特
徴とする請求項２記載の熱定着装置。
【請求項４】前記一対のローラの回転軸方向の断面形
状が少なくとも中凹型でない一体構造型加熱冷却デバイ
スを持つことを特徴とする請求項２または３記載の熱定
着装置。
【請求項５】一体構造型加熱冷却デバイスの像支持体
と離型する最先端部の曲率が３〜７ｍｍ^Rの範囲にある
ことを特徴とする一体構造型加熱冷却デバイスを持つこ
とを特徴とする請求項１、２、３または４記載の熱定着
装置。
【請求項６】一体構造型加熱冷却デバイスが潤滑表面
処理した低膨張金属材料からなる薄板でカバーされてい
ることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載
の熱定着装置。