JPS62276576A

JPS62276576A - 定着装置

Info

Publication number: JPS62276576A
Application number: JP11925486A
Authority: JP
Inventors: Takao Kumasaka; 熊坂　隆夫; Minoru Kanai; 叶井　実; Teruaki Mitsuya; 輝章三矢; Shigetaka Fujiwara; 藤原　重隆
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-05-26
Filing date: 1986-05-26
Publication date: 1987-12-01
Anticipated expiration: 2009-05-11
Also published as: JPH0636120B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】３、発明の詳細な説明〔産業上の利用分野〕本発明は電子写真等の方法により記録媒体上に形成され
たトナー像を加熱し定着させる定着装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の電子写真方式の記録装置（複写機やプリンター）
の定着装置としては主としてヒーター内蔵の熱ロールに
よる方式が用いらている。熱ロール方式を用いた定着装
置の構成を第１９図に示す。

熱ロール方式の定着装置は加熱ロール１とバックアップ
ロール２から成り、加熱ロール１は金属製の中空ロール
３の内部にハロゲンランプ４等のヒーターを内蔵し、中
空ロール３の表面にはトナー９の粘着等を防止するため
離型性のあるテフロン等の樹脂５が被覆されている。又
、バックアップロール２は、芯金ロール６にゴム等の弾
性層７が′）被覆され構成されている。熱ロール方式の
定着装置においては、該加熱ロール１と該バックアップ
ロール２との間にトナー像９が形成された記録媒体であ
る用紙８を通過させ、トナー像９を加熱することにより
定着させるものである。しかし、このようなハロゲンラ
ンプ方式はヒータ部から加熱ロール１表面間に空気層や
中空ロール３等の部材を含むため加熱効率が悪く、該加
熱ロール１がトナー像を熱融解し定着できる所定の温度
（以下、定着温度と略称する）に達するまでの時間（以
下、ウオームアツプ時間と略称する。）が長くなる傾向
があった。

又、上記のハロゲンランプ方式の欠点を改善するため、
第２０図に示すようにヒータとして薄膜抵抗体１０を用
いるものも考案されている。なお、この種の装置として
関連するものに特開昭６０−３６８３号、同特開昭６０
−８７３７６号、同特開昭６０−９１３７６号等が挙げ
られる。

〔発明が解決とようとする問題点〕

しかし、上記の装置においては、ウオームアツプ時間を
該加熱ロールの一回転に要する時間（以下、１回転時間
と略称する）より短い場合の効果的な熱ロール方式の加
熱法については配慮されておらず、その結果、上記の装
置においては該加熱ロール１の円周方向において必要最
小限度の領域を加熱する場合と比較して、所定のウオー
ムアツプ時の消費電力（以下、最大消費電力と略称する
）の下ではウオームアツプ時間が長くなる傾向があった
。

本発明の目的は、最大消費電力を増大させることなくウ
オームアツプ時間を大巾に短縮することが可能な定着装
置を提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、加熱ロールの軸方向に沿って１発熱量を外
部から調整可能な複数の発熱体を配置すると共に該発熱
体と中空ロール間や該発熱体相互間に熱伝導性が低い物
質を介在せしめ加熱ロールの円周方向に複数の発熱単位
を形成し、該発熱単位の被覆層表面がニップ領域におい
て定着温度に達するために必要な加熱ロールの円周方向
の昇温領域を該加熱ロールの周速と該発熱単位の昇温時
間から定め円周方向の第１の領域とし、又、それ以外の
加熱ローラの円周方向の領域を第２の領域として区分し
、第１の領域に位置する発熱単位の発熱量を第２の領域
に位置する発熱単位の発熱量よりも大きくなるようにす
ることにより達成される。

〔作用〕

一般に、周囲の温度と等しい物質を所定の温度に昇温す
るに要するウオームアツプ時間（ｓｅｅ）は、加熱直後
で熱的時定数より短い時間領域においては物質の熱容量
（ジュール／”Ｃ）に比例し、発熱量（ワット又はジュ
ール／５ｅｅ）に反比例する。又、上記にて区分した熱
ロールの第１及び第２の領域における熱容量は各領域の
長さＬｌｐ　Ｌｘ　（ｍ）に比例する。従って、消費電
カ一定の下で従来の熱ロール方式のウオームアツプ時間
をＴ１（ｓｅｅ）　ｒ本発明の熱ロール方式のウオーム
アツプ時間をＴｚ（ｓｅｅ）とすると、それぞれ、Ｔ　１＝に−・・・・・・（２）（ここでｋは比例定数、Ｗは全発熱量又は最大消費電力
（ワット）である）となり、本発明においては従来方式
と比較してウオームアツプ時間をＬｌ／　（ＬＬ＋Ｉ、
２）に短縮可能である。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を従来例と同一部品は同一符号を
用いて説明する。

第１図は本発明の加熱ロール１５の一部分断面図である
。本発明の加熱ロール１５は次の（１）〜（３）により
構成される。（１）中空ロール３の外側に電気絶縁と断
熱作用を持つ断熱層１３（例えば、セラミック等の無機
物や熱伝導性の悪い有機物あるいは、それらの加工２合
成、整型品等）を配置する。尚、第１図の例では、中空
ロール３と断熱層１３とを分けて示しているが、中空ロ
ール３をガラスやセラミック等の断熱部材で構成する場
合には中空ロール３と断熱層１３を同一の材質で製作し
ても良い。（２）断熱層１３の表面に薄膜状抵抗体１２
（例えば、ニッケル系合金又は導電性セラミック等）を
配置すると共に各薄膜状抵抗体１２の円周方向には電気
絶縁物で熱伝導性の低い物質で形成される分離層１４を
設は複数の発熱単位１２を形成する。さらに、（３）そ
の表面には、テフロンやシリコンゴム等の離型作用のあ
る物質から成る被覆Ｍ５を設ける。尚１分離層１４の物
質は断熱層１３又は被覆層５と同じ物質で構成しても良
い。

第２図は、加熱ロール１４の全体構成を示す断面図であ
る。第２図においては、Ｌｌはニップ幅、Ｌｌは加熱ロ
ール１５の円周方向の第１の領域の長さ、Ｌｌは第２の
領域の長さを表わしている。

第１の領域の長さＬｌは加熱ロール１５の周長より小さ
いことは言うまでもないが、該被覆層５の表面温度が所
定の定着温度Ｔｉに達する時間（ウオームアツプ時間）
をｔｕ、加熱ロール１５の周速をＶとすると、例えば、
次の（３）式を満たすように、あるいは若干の裕度を取
り設定する。

本発明においては、第１の領域Ｌｘに位置する発熱単位
１２の発熱量は第２の領域Ｌ２に位置する発熱単位１２
の発熱量より大きくなるようにするが、所定の消費電力
の下でウオームアツプ時間を最も短くするには第２の領
域Ｌ２に位置する発熱単位１２の発熱量を零にすれば良
い。

以下、上記の実施例の給電方法について、第３図から第
５図を用いて説明する。

第３図は給電系の構成を示す一部断面図、又。

第４図は、電気的接続部の詳細説明のため、加熱ロール
１５の被覆層５を取りはずした状態を描いた斜視図であ
る。加熱ロール１５の端部には、給電用リング１６が取
り付けられ、該給電リング１６を介して電源１８から加
熱ロールＩＳへ電力が供給される。一方、加熱ロール１
５の軸方向の端部２０には第４図に示すように導電性部
材１９が発熱単位１２と接続し、該加熱ロール１５の半
径方向に設けられている。又、第５図に第３図の実施例
において右側に配置される給電リング１６を斜視図で示
した。給電リング１６には、第２図に示した第１の領域
Ｌ１に対応した位置に摺擦金具２２及び該摺擦金具２２
と導通し給電リング１６から絶縁された給電端子２１が
設けられる。

給電リング１６は、第３図に示すように加熱ロールＩＳ
と軸受１７内に配置され給電端子２１に電源１８を接続
することにより第１の領域Ｌ１に位置する発熱単位１２
のみ通電し発熱させることができる。

以下、本実施例の具体例を挙げその動作及び効果につい
て説明するが、先ず定着装置の起動時について述べ、次
に２回転以後の定常運転時の場合について説明する。

例えば、プリンタや複写機等の電子写真装置において印
刷速度がＡ４サイズ７．５枚／分で、加熱ロール１５の
直径が４０ｍφ、ニップ幅が５Ｉの熱ロール定着装置を
用いる場合、加熱ロール１５の周速Ｖは用紙の搬送速度
に等しく約２６．２５ｍｍ／秒である。他方、ウオーム
アツプ時間ｔｕは加熱ロール１５を構成する各部の熱的
特性に関連している。例えば、中空ロール３をアルミニ
ュウムで作成し、断熱層１３及び分離層１４をアルミナ
及びシリカを主成分とするセラミックで形成し、厚さ５
ｏμｍ９幅５ｍｍ、３５０ｍ＋のニッケル系金属薄膜抵
抗体を用いた発熱単位１２を２４個取り付け、さらにそ
の表面に厚さが１５０μｍのテフロンを被覆層５として
取り付け、発熱単位１２の１個当り８７．５Ｗ通電した
場合、被覆層５の表面温度が所定の定着温度Ｔ１　（例
えば、２００℃）に達する時間ｔｕは約２．０　秒であ
る。

従って、この場合（３）式に基づいて第１の領域の長さ
Ｌｌを定めると、Ｌ１″：Ｖ−ｔｕ＋Ｌｚ＝２６．２５
Ｘ２．Ｏ＋５＝５７．５　（ｏｎ）となるが、発熱単位
１２のピッチが５．２３３ａｎであることを考慮すると
Ｌｌは１１個の発熱単位１２を含む５７．５７１ｍの長
さとなる。他方、４０ｆｆＩ！Ｉφの加熱ロール１５の
全周長は１２５．６ｍｍであり第２の領域の長さＬ２は
約６８．Ｏ３ｎｍ＋　どなる。

第７図は、同一の消費電力約０．９６ＫＷの下で」二記
した構造におけるウオームアツプ時間ＴｕＰと従来構造
のウオームアツプ時間ＴｕＱを比較したものである。

曲線Ｐは、第６図の本発明の加熱ロール１５の断面図に
おいて示した発熱単位１２ａが第１の領域にちょうど入
った瞬間から加熱を開始し、その加Ｐ！Ｙ開始時間を時
間零とし、発熱単位１２ａの位置に対応する被覆層表面
部分の温度を示したものである０本実施例では発熱単位
１２ａに対応した被覆層部分の温度が所定の定着温度Ｔ
□に達する時間が、本実施例のウオームアツプ時間Ｔｕ
ｐに相当している。

又、曲、ｉ！Ｑは全周を同時に加熱する場合のニップル
部直前の被覆層表面部分の温度上昇曲線であり、Ｔ　ｕ
　Ｑが従来構造のウオームアツプ時間である。

本実施例では通電し発熱させる領域は第１の領域Ｌ＋に
限定されるため、第７図に示すようにウオームアツプ時
間Ｔ　ｕ　Ｐを従来方式と比較して約尚、上記の例より
遅い場合には本発明の効果は大きくなる傾向がある。例
えば、印刷速度がＡ４・５枚／分の装置においては、用
紙の搬送速度は約１７．５ｍ＋／秒となるので第１の領
域の長さＬｌは約４０．０ｍ＋ａ　となり従来方式に比
べてウオームアップ時間を約−に短縮することが可能で
ある。

次に、本発明の加熱ロール１５の２回転時以後（定常時
と略称する）の動作について説明する。

第８図は本発明の第６図に示す発熱単位１２ａに対応す
る被覆暦表面部分の１回転時及び２回転時の温度と経過
時間との関係を示している。第８図において１時間０秒
からＬ１／ｖ秒までの時間は発熱単位１２ａは第１の領
域に位置しており発熱するが、その後Ｌｘ／ｖ秒は第１
の領域に位置するので発熱しない、さらに２回転時以後
も同様な発熱・非発熱のサイクルをくり返す。又、発熱
単位１２ａがｔｎはニップ領域に位置する時間域であり
、この間にトナー及び用紙に熱エネルギーの一部が移動
するため、被覆層表面部分の温度はその分だけ降下する
。

図中の２点鎖線は、２回転時も１回転時と同じ発熱量を
第１の領域Ｌ１に位置する発熱単位１２に与えた場合で
ある。この場合、所定の定着温度Ｔ１を大巾に上回って
しまいトナーの加熱ロール１５へのオフセットや材料の
熱劣化が生じ定着動作が困難になる。このれは、起動時
（１回転時）においては、加熱前の発熱単位１２の温度
が室温であったのに対し、２回転時は加熱前の発熱単位
１２の温度（すなわち、第２の領域Ｌ２から第１の領域
に入る直前の発熱単位１２の温度）が室温より高くなる
ためである。本例ではΔＴは約３８ｄｅｇであり、第１
の領域に入る直前の発熱単位１２の温度は約１６２℃で
あった。従って、本発明においては、２回転時以後の発
熱量を第１の領域に入る直前の温度上昇に相当する分だ
け減する必要がある。例えば起動時において０，９６Ｋ
Ｗ必要としたものを２回転時以後は０．２２ＫＷに減じ
たところニップ部直前で所定の定着温度に維持できトナ
ー像の定着が可能となった。

第１０図は、本発明の他の実施例を示し第９図及び第１
１図はその説明用の図面である。本例が上記した実施例
と異なる点は第９図に示すように起動時の第１の領域を
２つの領域に分は第２回転時以後は起動時の第１の領域
Ｌ１よりも小さな第３の領域Ｌｘに位置する発熱単位１
２にのみ発熱できるようにしたものである。

これを実現するための給電方式は第１０図に示すように
摺擦金具を分離し、第３の領域Ｌ１＾とそれ以外の部分
Ｌｚｓに対応した摺擦金具２７．２８を設けそれぞれと
導通し個々に通電できるような給電端子２９．３０を設
け、電源からの電力を起動時（１回転時）は給電端子２
９．３０の両方に、２回転時以後は給電端子２９のみに
供給するようにしたものである。

第１１図は、−例として第３の領域Ｌ１＾の長さを３個
の発熱単位１２を含む長さとし、２回転時以後において
加熱領域をＬ１＾に限定した場合の温度と経過時間との
関係を示す。尚、１回転時は前記した第８図の場合と同
等である。

一般に、加熱直前の温度が等しいなら、加熱する領域が
小さくなるとその分だけ昇温時間を早くすることが必要
となるため発熱単位１個当りの発熱量は大きくなる。し
かし、本実施例のウオームアツプ時間は前述（例えば、
（２）式に示す）のように、熱容量（本実施例の場合は
加熱する領域の長さに比例する）に比例し、発熱量に逆
比例するのでウオームアツプ時の最大消費電力はほぼ同
じ値となる。

第１１図の例では、第２回的時に加熱とない第１の領域
Ｌｓａを経て加熱領域である第３の領域Ｌ１＾に入る直
前の発熱単位１２ａの温度が所定の定着温度Ｔ！に対し
て低下する温度降下ΔＴは約４２ｄｅｇであった。この
条件に対しては、第３の領域ＬＬ＾における発熱量を約
０．２４Ｗにすることにより、第１１図に示すように所
定の定着温度Ｔｚに昇温することが可能であった０本実
施例の場合、給電部の構造が若干複雑になる傾向がある
が１発熱量位１２の１個当りの発熱量を１回転時と２回
転時以後でほぼ同じ値に設定できるので電源の電圧はほ
ぼ同じで領域Ｌ１ａへの給電を停止する切換器を配置し
て制御すれば良く、電源の電圧調整機構を簡便な構造に
できる効果がある。

第１２図は上記の実施例において、加熱ロール１５の所
定の位置（本例では、発熱単位１２が第２の領域Ｌ２か
ら第１の領域Ｌｘに移動する直前付近の位Ｗ）に温度セ
ンサ２３を設け、該温度センサ２３で測定した加熱ロー
ル１５の温度にもとづいて、ニップ部での温度が所定の
定着温度になるように各発熱単位１２への通電量をｍ整
するようにしたものである。このような構成においては
、（１）加熱ロール１５の周囲の温度が気温の変化や定
着装置を含む印刷装置の運転により変化する場合や（２
）ファクシミリやプリンタの印刷のオンオフが頻ばんに
行なわれ、加熱ロール１５の温度が起動前の所定の温度
と異なる場合その変化分を温度センサ２３により検出で
きるので、所定の温度から変化した分だけ発熱領域であ
る第１の領域り工又は第３の領域Ｌ１＾の各発熱単位１
２の発熱量を調整し、ニップ部での加熱ロール１５の表
面温度をより確実にコントロールできる効果がある。

第１３図、第１４図に他の実施例を示す。本実施例は、
薄口導体３１，３２間に弾性体３４を介して該導体３１
．３２を相対させ、その間に導電性粉体３３（例えば、
カーボン粉を充填し、該導体３１．３２をそれぞれ、直
流高圧電源端子３８゜アース３９にブラシ３６，３７を
介して導通するようにしたものである。

前記した実施例においては、熱源は薄膜状の抵抗体に通
電して構成したが１本例では以下のような作用により所
望する発熱量を得ることができる。

すなわち、定着時に用紙が加熱及びバックアップロール
間に入り弾性体３４が変形すると導体３１゜３２間の間
隔が小さくなり導電性粉体３３が圧縮され、導電性粉体
３３の電気抵抗が小さくなる。

電源の電圧が一定の下では発熱量は電気抵抗に逆比例す
るのでニップ部周辺部の発熱量を他の部分と比較して増
大させることが可能である。この場合、第１の領域Ｌｌ
はニップ部の長さないしその周辺部を含む長さに相当す
るので、ニップ長Ｌ１は、　（４）式を満たすように設
定する必要がある。

Ｌｎ≧Ｔ、−ｕ　　　　　　　　　　　　−−（４）尚
、高圧電源を外側導体３２に、アースを内側導体３１に
接続しても良い。

本実施例においては、ブラシ３６．３７の円周方向の取
付位置を限定する必要がなくニップ部付近を加熱できる
ので、前記した実施例に比べて給電方法が容易になる利
点がある。さらに、本実施例では、給電ブラシ３６．３
７は加熱ロール１５の面端に設ける必要がなく片側で良
いという利点も付随している。

第１５図及び第１６図に他の実施例を示す。本例におい
ては、断熱層１３と被覆層５との間にスペーサ４５を配
置し間隔を設け、磁性体４２（磁性流体又は磁性粒子）
を第１の領域Ｌ１に相当する溶精を満たすように充填し
、さらに電磁石又は永久磁石４１を配置し該磁性体４２
を該磁石４１で吸引し、磁性体４２を第１の領域に位置
するようにしたものである。又、磁性体４２は、電源１
８と給電ブラシ４６．４７及び導電性部材４４を介して
導通し、電源１８から通電される。

本実施例においては、第１の領域Ｌ１に対応する部分に
のみ磁性体４２が存在し該磁性体４２に通電し発熱させ
ることが可能であり、且つ、非加熱領域に対応する部分
は空気Ｍ４３となっているため円周方向への断熱性が良
好となる。従って、本発明によれば、前記した例のよう
に発熱体を分割する必要がないので構造が簡単になる利
点がある。

第１７図及び第１８図は本発明の他の実施例で、前記し
た第５図と異なる給電方法を示している。

第１７図の例は、鍔状の接触リング４８を加熱ロール１
５の端部に設は各発熱単位１２と導通する複数の導電部
材４９を該接触リング４８の外周部まで放射状に延長す
るようにし、あらかじめ第１の領域に対応した導電部材
４９が容器５０内の導電性流体５１（例えば、水銀など
の液体金属）中に浸漬するようにし、電源１８から導電
性流体５１を介して第１の領域に位置する発熱単位１２
に給電するようにしたものである０本例では、前述のブ
ラシによる給電法と比較して接触抵抗が少なく電気火花
等の発生が起らないという利点がある。第１８図は、第
１７図の例の導電性流体５１の代りに磁性体５３（磁性
流体又は磁性粒子）を用い、所定の位置に磁石５２を配
置して磁性体５３を吸引し磁性体５３が第１の領域に位
置する発熱単位１２と導通する導電部材４９と接触する
ようにしたものである。本例では、第１７図の例に比べ
て磁石５２により磁性体５３を所望する円周方向の位置
に容易に移動できるので給電部の構成が容易になる利点
がある。

〔発明の効果〕

上記したように、本発明によれば最大消費電力を増大さ
せることなく加熱ロールのウオームアツプ時間を大巾に
短縮できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の一部分横断面図、第２図は
本発明の実施例の横断面方向の構成を示す横断面図、第
３図は本発明の実施例の給電系統を示す一部分縦断面図
、第４図は本発明の加熱ロールの端部の構造を示す斜視
図、第５図は本発明の摺擦リングの斜視図、第６図は第
７図及び第８図に示す発熱単位の温度−経過時間特性に
おいて着目している発熱単位の位置関係を示す加熱ロー
ルの横断面図、第７図は本発明の実施例及び従来例の温
度−経過時間特性を示すグラフ、第８図は本発明の実施
例において注目している発熱単位の温度一時間特性を示
すグラフ、第９図は、本発明の他の実施例の横断面図、
第１０図は本発明の他の実施例の給電リングの斜視図、
第１１図は本発明の他の実施例の給電リングの斜視図、
第１２図は他の実施例の斜視図、第１３図は本発明の他
の実施例の横断面図、第１４図は第１３図に示す他の実
施例と同一構造の縦断面図、第１５図は本発明の実施例
の横断面図、第１６図は第１５図に示す他の実施例と同
一構造の給電系統を示す一部分縦断面図、第１７図及び
第１８図は本発明の他の実施例の給電方法を示す一部分
縦断面図、第１９図及び第２０図は従来例の横断面図で
ある。１・・・加％ロール、２・・・バックアップロール、３
・・・中空ロール、４・・・ハロゲンランプ、５・・・
被ｒＩｔ層、６・・・芯金ロール、７・・・弾性層、８
・・・用紙、９・・・トナー像、１０・・・薄膜抵抗体
、１１・・・絶縁層、１２・・−発熱単位、１３・・・
断熱層、１４・・・分離層、１５・・・加熱ロール、１
６・・・給電リング、１７・・・軸受、１８・・・電源
、１９・・導電性部材、２０・・・加熱ロールの端部、
２１・・・給電端子、２２・・・摺擦金具、２３・・・
温度センサ、２４・・・リード線、２５・・・加熱ロー
ル、２６・・・給電リング、２７・・・摺擦金具、２８
・・・摺擦金具、２９・・・給電端子、３０・・・給電
端子、３１・・・導体、３２・・・導体、３３・・・導
電性粉体、３４・・・弾性体、３５・・・スペーサ、３
６・・・ブラシ、３７・・・ブラシ、３８・・・直流高
圧電源端子、３９・・・アース、４０・・・固定部材、
４１・・・磁石、４２・・・磁性体、４３・・・空気層
、４４・・・導電性部材、４５・・・スペーサ、４６・
・・給電ブラシ、４７・・・給電ブラシ、４８・・・接
触リング、４９・・・導電部材、５０・・・容器。５１・・・導電性流体、５２・・・磁石、５３・・・磁
性体。　　、・□・〉・矛　１　□Ｉ。代理人　弁理士　小川勝馬　ニーｌ；。竿３邑　　　　　　　　′Ｆ１５図第　凶事図　　　　　　　　　１′７　凶事　３　目経通時ｒａ１　　　　　　　　− ￥＋１目１□４　　　　　　第１０図＄１２図第　１１　　図に：適時洩り　　　　　　　　□ ′＄１３　　図茅　　１４　園某　１５図 ′＄　７６　図第１’ｒ図ＶＪ＋？圓第　１８　　目ｔ＄２０図

Claims

【特許請求の範囲】

１、熱源を内蔵する加熱ロールと該加熱ロールに対向し
て設けられたバックアップロールからなり、該加熱ロー
ルと該バックアップロールとの間に未定着トナー画像を
有するシートを挾持搬送する加熱定着装置において、該
加熱ロールの円周方向の熱伝導性が半径方向に比べて小
さくなるように構成し、少なくとも該加熱ロールと該バ
ックアップロールにより挾持されるニップ部を含む円周
方向の第１の領域の単位面積当りの発熱量をニップ部を
含まない円周方向の第２の領域の単位面積当りの発熱量
より増大させるようにしたことを特徴とする定着装置。