KR101260664B1 - 정착 장치 및 화상 형성 장치 - Google Patents

정착 장치 및 화상 형성 장치 Download PDF

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야스노리 이시가야
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가부시키가이샤 리코
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Abstract

정착 장치는, 가요성을 갖는 무단형의 정착 부재; 금속 부재; 및 가압 부재;를 포함하며, "A"는 "Bmax" 보다 작거나 같고, "Bave"보다 크고 ("Bmax"≥ "A" > "Bave"), 여기서, "A"는 상기 정착 부재와 상기 금속 부재의 상온 시에 간격량을 나타내고, "Bmax"는 상기 가열 수단에 의해 상온 상태로부터 가열 개시될 때에 상기 금속 부재에 발생하는 최대의 변형량을 나타내고, "Bave"는 상기 금속 부재 전체의 온도가 균질화될 때에 상기 금속 부재에 발생하는 안정적인 변형량을 나타낸다.

Description

정착 장치 및 화상 형성 장치{FIXING DEVICE AND IMAGE FORMING APPARATUS}
본 발명은 정착 장치 및 화상 형성 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 복사기, 프린터, 팩시밀리, 또는 그러한 복합기 등의 화상 형성 장치 및 그에 설치되는 정착 장치에 관한 것이다.
종래부터, 복사기, 프린터 등의 화상 형성 장치에 대하여, 워밍업 시간이나 최초 프린트 시간이 짧아서, 장치를 고속화했을 경우에도 정착 불량이 생기기 어려운 정착 장치가 알려져 있다(예를 들면, 일본특허공개 2008-158482호 참조).
보다 상세하게, 예컨대 일본특허공개 2008-158482호의 정착 장치는, 정착 부재로서의 정착 벨트, 대향 부재로서의 금속 부재, 가열 부재로서의 히터, 가압 부재로서의 가압 롤러, 등으로 구성되어 있다. 대략 원통형의 금속 부재는 정착 부재의 내주면의 일부 또는 전부에 대향하도록 고정 설치된다. 히터는 금속 부재를 가열하도록 금속 부재 내에 제공된다. 가압 롤러는 닙부를 형성하도록 정착 벨트를 가압한다.
정착 벨트가 히터에 의해 가열된 금속 부재에 의해 가열되고, 닙부를 향해 반송된 기록 매체 상의 토너상이 닙부에서 열과 압력을 받는다. 이로써, 토너상이 기록 매체 상에 정착되게 된다.
예컨대 일본특허공개 2008-158482호의 정착 장치는, 정착 벨트(정착 부재)와 금속 부재의 간격량(대향 거리)이 너무 크면, 정착 벨트의 가열 효율을 충분히 높일 수 없다. 정착 벨트와 금속 부재의 간격량이 너무 작으면, 가동 시에 정착 벨트가 금속 부재에 미끄럼 접촉하여 마모될 가능성이 있었다.
따라서, 본 발명의 실시예는, 상술한 바와 같은 과제를 해결하는 신규하고 유용한 정착 장치 및 화상 형성 장치를 제공할 수 있다.
보다 상세하게, 본 발명의 실시예는, 워밍업 시간이나 최초 프린트 시간이 짧고, 장치를 고속화했을 경우에도 정착 불량 등이 생기지 않고, 정착 부재의 가열 효율이 충분히 높고, 가동 시에 정착 부재와 금속 부재가 미끄럼 접촉하여 마모하는 불편이 경감되는, 정착 장치 및 화상 형성 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 소정방향으로 주행하여 토너상을 가열하여 용융하는 동시에, 가요성을 갖는 무단형의 정착 부재; 상기 정착 부재의 내주면에 간격을 가지고 대향하도록 고정되어 상기 정착 부재를 가열하는 동시에, 가열 수단에 의해 가열되는 금속 부재; 및 상기 정착 부재에 압접하여 기록 매체가 반송되는 닙부를 형성하는 가압 부재;를 포함하며, "A"는 "Bmax" 보다 작거나 같고, "Bave"보다 크고 ("Bmax"≥ "A" > "Bave"), 여기서, "A"는 상기 정착 부재와 상기 금속 부재의 상온 시에 간격량을 나타내고, "Bmax"는 상기 가열 수단에 의해 상온 상태로부터 가열 개시될 때에 상기 금속 부재에 발생하는 최대의 변형량을 나타내고, "Bave"는 상기 금속 부재 전체의 온도가 균질화될 때에 상기 금속 부재에 발생하는 안정적인 변형량을 나타내는 것을 특징으로 하는 정착 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 소정방향으로 주행하여 토너상을 가열하여 용융하는 동시에, 가요성을 갖는 무단형의 정착 부재; 상기 정착 부재의 내주면에 간격을 가지고 대향하도록 고정되어 상기 정착 부재를 가열하는 동시에, 가열 수단에 의해 가열되는 금속 부재; 상기 정착 부재에 압접하여 기록 매체가 반송되는 닙부를 형성하는 가압 부재;를 구비하는 정착 장치를 포함하는 화상 형성 장치에 있어서, "A"는 "Bmax" 보다 작거나 같고, "Bave"보다 크고 ("Bmax"≥ "A" > "Bave"), 여기서, "A"는 상기 정착 부재와 상기 금속 부재의 상온 시에 간격량을 나타내고, "Bmax"는 상기 가열 수단에 의해 상온 상태로부터 가열 개시될 때에 상기 금속 부재에 발생하는 최대의 변형량을 나타내고, "Bave"는 상기 금속 부재 전체의 온도가 균질화될 때에 상기 금속 부재에 발생하는 안정적인 변형량을 나타내는 것을 특징으로 하는 화상 형성 장치를 제공할 수 있다.
실시예들의 추가적인 목적 및 이점은 부분적으로 하기의 설명으로부터 명백해지며, 또는 본 발명의 실시에 의해 교시될 수 있다. 본 발명의 목적 및 이점은 첨부한 특허청구범위에 나타낸 요소 및 조합에 의해 실현 및 달성될 것이다. 전술한 설명 및 하기의 설명은 예시적인 것으로서, 본 발명을 제한할 의도의 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 화상 형성 장치를 나타내는 전체 구성도,
도 2는 도 1의 화상 형성 장치에 설치된 정착 장치를 나타내는 구성도,
도 3은 도 2에 도시한 정착 장치를 폭방향으로 본 도면,
도 4는 닙부의 근방을 나타내는 확대도,
도 5는 정착 벨트와 고정 부재의 미끄럼 접촉부의 확대도,
도 6은 금속 부재의 가열 변형 상태를 나타내는 개략도,
도 7은 금속 부재를 가열할 때에 발생하는 가역 변화와 비가역 변화를 나타내는 개략도,
도 8은 금속 부재의 빅커스 경도(Vickers hardness)와 금속 부재에 벤딩 현상이 생기는 온도와의 관계를 나타내는 그래프,
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 정착 장치를 나타내는 구성도.
본 발명의 발명자는, 상술한 문제점을 해결하기 위한 실험을 통해, 하기의 설명을 이용함으로써 정착 장치의 가열 효율을 더욱 개선하고, 작동 시간에서의 정착 부재 및 금속 부재의 미끄럼 접촉에 근거한 마모를 감소시키는 것을 알았다. 즉, 워밍업 시간에, 정착 부재 내에 제공되는 금속 부재는 가열이 개시된 바로 후의 시간에 최대의 변형량(상온 상태로부터의 변형량)으로 변형된다. 그 후, 시트를 공급하는 시간에, 금속 부재의 온도가 실질적으로 전체적으로 동일화되어, 비교적 낮은 변형량을 갖는 안정된 변형 상태가 유지된다.
상기한 바에 근거하여, 본 발명의 실시예는, 소정방향으로 주행하여 토너상을 가열하여 용융하는 동시에, 가요성을 갖는 무단형의 정착 부재; 상기 정착 부재의 내주면에 간격을 가지고 대향하도록 고정되어 상기 정착 부재를 가열하는 동시에, 가열 수단에 의해 가열되는 금속 부재; 및 상기 정착 부재에 압접하여 기록 매체가 반송되는 닙부를 형성하는 가압 부재;를 포함하며, "A"는 "Bmax" 보다 작거나 같고, "Bave"보다 크고 ("Bmax"≥ "A" > "Bave"), 여기서, "A"는 상기 정착 부재와 상기 금속 부재의 상온 시에 간격량을 나타내고, "Bmax"는 상기 가열 수단에 의해 상온 상태로부터 가열 개시될 때에 상기 금속 부재에 발생하는 최대의 변형량을 나타내고, "Bave"는 상기 금속 부재 전체의 온도가 균질화될 때에 상기 금속 부재에 발생하는 안정적인 변형량을 나타내는 것을 특징으로 하는 정착 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 금속 부재 및 정착 부재의 간격량이 하기의 특징을 이용하여 최적화된다. 즉, 가열을 개시하는 워밍업 시간에, 정착 부재 내에 제공된 금속 부재는 최대의 변형량으로 변형된다. 시트를 공급하는 시간에, 금속 부재의 온도가 실질적으로 전체적으로 동일화되어, 비교적 낮은 변형량을 갖는 안정된 변형 상태가 유지된다. 그 결과, 본 발명의 실시예는 워밍업 시간 또는 최초 인쇄 시간이 짧아지고, 장치의 공정이 신속하게 이루어지더라도 나쁜 정착이 일어나지 않고, 정착 부재의 가열 효율이 충분히 높고, 정착 부재가 금속 부재와 미끄럼 접촉하여 화상 형성 장치의 작동 시간에 마모될 문제점을 발생시킬 가능성이 감소될 수 있는 정착 장치 및 화상 형성 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예의 도 1 내지 도 9를 참조하여, 하기의 설명이 제공된다. 도면 중, 동일 또는 상당하는 부분에는 동일한 부호를 교부하고 있어 그 중복 설명은 적당하게 간략화 내지 생략한다.
(제 1 실시예)
도 1 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 제 1 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
우선, 도 1에서, 화상 형성 장치 전체의 구성·동작에 대해 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 화상 형성 장치(1)는, 텐덤형 칼라 프린터이다. 화상 형성 장치 본체(1)의 위쪽에 있는 용기 수용부(101)에는, 각 색상(옐로우, 마젠타, 시안, 블랙)에 대응하는 4개의 토너 용기(102Y, 102M, 102C, 102K)가 탈착가능(교환가능)하게 설치되어 있다.
용기 수용부(101)의 하부에는 중간 전사 유닛(85)이 배치되어 있다. 그 중간 전사 유닛(85)의 중간 전사 벨트(78)에 대향하도록, 각 색상(옐로우, 마젠타, 시안, 블랙)에 대응하는 화상 형성부(4Y, 4M, 4C, 4K)가 열 배치로 제공된다.
각각의 화상 형성부(4Y, 4M, 4C, 4K)에는, 감광체 드럼(5Y, 5M, 5C, 5K)이 배치되어 있다. 또한, 각 감광체 드럼(5Y, 5M, 5C, 5K)의 주위에는, 대전부(75), 현상부(76), 클리닝부(77), 제전부(도시하지 않음) 등이 배치되어 있다. 그리고, 각 감광체 드럼(5Y, 5M, 5C, 5K) 상에서, 화상 형성 공정(대전 공정, 노광 공정, 현상 공정, 전사 공정, 클리닝 공정)이 수행되어, 각 감광체 드럼(5Y, 5M, 5C, 5K) 각 색상의 화상이 형성되게 된다.
감광체 드럼(5Y, 5M, 5C, 5K)은, 구동 모터(도시하지 않음)에 의해 도 1 중의 시계방향으로 회전 구동된다. 그리고, 대전부(75)의 위치에서, 감광체 드럼(5Y, 5M, 5C, 5K)의 표면이 균일하게 대전된다(대전 공정).
그 후, 감광체 드럼 (5Y, 5M, 5C, 5K)의 표면은, 노광부(3)로부터 방출된 레이저광의 조사 위치에 도달하고, 그 위치에서 노광 주사에 의해 각 색상에 대응하게 정전 잠상이 형성된다(노광 공정).
그 다음, 감광체 드럼(5Y, 5M, 5C, 5K)의 표면은, 현상 장치(76)와의 대향 위치에 도달하고, 대응하는 토너상이 형성되도록 그 위치에서 정전 잠상이 현상된다(현상 공정).
그 후, 감광체 드럼(5Y, 5M, 5C, 5K)의 표면은, 중간 전사 벨트(78) 및 제 1 전사 바이어스 롤러(79Y, 79M, 79C, 79K)와의 대향 위치에 도달하고, 그 위치에서 감광체 드럼(5Y, 5M, 5C, 5K) 상의 토너상이 중간 전사 벨트(78) 상에 전사된다(1차 전사 공정). 이때, 감광체 드럼(5Y, 5M, 5C, 5K) 상에는, 극소더라도 작은 양의 미전사된 토너가 잔존한다.
그 후, 감광체 드럼(5Y, 5M, 5C, 5K)의 표면은, 클리닝부(77)과의 대향 위치에 도달한다. 감광체 드럼(5Y, 5M, 5C, 5K) 상에 잔존한 미전사 토너는 그 위치에서 클리닝부(77)의 클리닝 블레이드에 의해 기계적으로 회수된다(클리닝 공정).
마지막으로, 감광체 드럼(5Y, 5M, 5C, 5K)의 표면은, 제전부(도시하지 않음)와의 대향 위치에 도달하고, 감광체 드럼(5Y, 5M, 5C, 5K) 상의 잔류 전위가 그 위치에서 제거된다.
이로써, 감광체 드럼(5Y, 5M, 5C, 5K) 상에서 수행되는, 일련의 화상 형성 공정이 종료된다.
그 후, 현상 공정을 통해 각 감광체 드럼 상에 형성한 각 색상 토너상을, 중간 전사 벨트(78) 상에 겹쳐 전사한다. 이로써, 중간 전사 벨트(78) 상에 칼라 화상이 형성된다.
여기서, 중간 전사 유닛(85)은, 중간 전사 벨트(78), 4개의 1차 전사 바이어스 롤러(79Y, 79M, 79C, 79K), 2차 전사 백업 롤러(82), 클리닝 백업 롤러(83), 텐션 롤러(84), 중간 전사 클리닝부(80) 등으로 구성된다. 중간 전사 벨트(78)는, 3개의 롤러(82 내지 84)에 의해 늘려서 지지되고, 단일의 2차 전사 백업 롤러(82)의 회전 구동에 의해 도 1에서 화살표로 나타낸 방향으로 무단 이동된다.
4개의 1차 전사 바이어스 롤러(79Y, 79M, 79C, 79K)는, 각각, 중간 전사진 벨트(78)를 감광체 드럼(5Y, 5M, 5C, 5K) 사이에 끼워 1차 전사 닙을 형성하고 있다. 그리고, 1차 전사 바이어스 롤러(79Y, 79M, 79C, 79K)에, 토너의 극성과는 반대의 전사 바이어스가 인가된다.
그 다음, 중간 전사 벨트(78)는 화살표방향으로 주행하여, 각 1차 전사 바이어스 롤러(79Y, 79M, 79C, 79K)의 1차 전사 닙을 순차적으로 통과한다. 이로써, 감광체 드럼(5Y, 5M, 5C, 5K) 상의 각 색상 토너상이, 중간 전사 벨트(78) 상에 겹쳐 1차 전사된다.
그 후, 각 색상 토너상이 겹쳐 전사된 중간 전사 벨트(78)는, 2차 전사 롤러(89)와의 대향 위치에 도달한다. 그 위치에서, 2차 전사 백업 롤러(82) 및 2차 전사 롤러(89)는 중간 전사 벨트(78)를 사이에 두어 2차 전사 닙을 형성하고 있다. 그 다음, 중간 전사 벨트(78) 상에 형성된 4색 토너상은, 2차 전사 닙의 위치에 반송된 기록 매체(P) 상에 전사된다. 이때, 중간 전사 벨트(78)에는, 기록 매체(P)에 전사되지 않았던 미전사 토너가 잔존한다.
그 후, 중간 전사 벨트(78)는, 중간 전사 클리닝부(80)의 위치에 도달하고, 그 위치에서 중간 전사 벨트(78) 상의 미전사 토너가 회수된다.
이로써, 중간 전사 벨트(78) 상에서 수행되는, 일련의 전사 공정이 종료한다.
여기서, 2차 전사 닙의 위치에 반송된 기록 매체(P)는, 장치 본체(1)의 하부에 배치된 급지부(12)로부터, 급지 롤러(97) 및 한 쌍의 레지스터 롤러(98) 등의 롤러를 거쳐 반송된 기록 매체이다.
보다 상세하게, 급지부(12)에는, 전사지 등의 기록 매체(P)가 복수 매로 적층되어 수용된다. 그 다음, 급지 롤러(97)가 도 1의 반시계방향으로 회전 구동되면, 맨 위의 기록 매체(P)가 한 쌍의 레지스터 롤러(98)의 롤러 사이에 공급된다.
한 쌍의 레지스터 롤러(98)에 반송된 기록 매체(P)는, 회전 구동을 정지한 한 쌍의 레지스터 롤러(98)의 롤러 닙의 위치에서 일단 정지한다. 그리고, 중간 전사 벨트(78) 상의 칼라 화상에 타이밍을 맞추어, 한 쌍의 레지스터 롤러(98)가 회전 구동되어, 기록 매체(P)가 2차 전사 닙으로 반송된다. 이로써, 기록 매체(P) 상에, 소망한 칼라 화상이 전사된다.
그 후, 2차 전사 닙의 위치에서 칼라 화상이 전사된 기록 매체(P)는, 정착 장치(20)의 닙부[정착 롤러(21)와 가압 롤러(31)가 서로 가압하는 위치)로 반송된다. 그 다음, 닙부에서의 정착 롤러(21) 및 가압 롤러(31)의 가열 및 압력으로 인해, 기록 매체(P)의 표면에 반송된 칼라 화상이 기록 매체(P) 상에 정착된다.
그 후, 기록 매체(P)는, 한 쌍의 배지 롤러(99)의 롤러 사이에서 이동함으로써 장치 외부로 배출된다. 한 쌍의 배지 롤러(99)에 의해 장치 외부로 배출된 기록 매체(P)는, 출력 화상으로서 스택부(100) 상에 순차적으로 적층된다.
이로써, 화상 형성 장치에 있어서의, 일련의 화상 형성 공정이 완료한다.
다음으로, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 화상 형성 장치 본체(1)에 설치되는 정착 장치(20)의 구성·동작에 대해 상술한다.
여기서, 도 2는, 도 1에 도시한 화상 형성 장치에 제공된 정착 장치(20)를 도시한 구성도이다. 도 3은, 도 2에 도시한 정착 장치(20)를 폭방향으로 본 도면이다. 도 4는 정착 장치(20)의 닙부의 근방을 도시한 확대도이다. 도 5는 정착 벨트(21) 및 고정 부재(26)와의 미끄럼 접촉부를 도시한 확대도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 정착 장치(20)는, 정착 부재로서의 정착 벨트(21)(벨트 부재), 고정 부재(26), 금속 부재(22)(가열 부재), 보강 부재(23), 단열 부재(27), 가열 부재로서의 히터(25)(열원), 가압 부재로서의 가압 롤러(31), 온도 센서(40) 등으로 구성된다.
여기서, 정착 부재로서의 정착 벨트(21)는, 가요성을 가지는 얇은 무단 벨트이다. 도 2 중의 화살표방향(반시계방향)으로 정착 벨트(21)가 회전(주행)한다. 정착 벨트(21)는, 내주면(21a)[고정 부재(26)와의 미끄럼 접촉면]으로부터 표면층, 기재층, 탄성층, 이형층을 적층함으로써 형성된다. 전체의 정착 벨트(21)의 두께는 1 mm 이하로 설정되어 있다.
정착 벨트(21)의 표면층(21a)(내주면)은, 층 두께가 50 ㎛ 이하이며, 불소를 함유하는 재료로 형성되어 있다. 구체적으로, 표면층(21a)(미끄럼 층)을 형성하는 재료로서, PFA(테트라플루오르에틸렌-퍼플루오르알킬 비닐 에테르 공중합체), PTFE(폴리테트라플루오르에틸렌), 또는 FEP(테트라플루오르에틸렌-헥사 플루오르프로필렌 공중합체) 등의 불소 수지 재료나, 이들에 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아미드-이미드 등의 수지를 혼합한 것을 이용할 수 있다. 정착 벨트(21)의 표면층(21a)에 대해서는, 다음에 한층 더 자세하게 설명한다.
정착 벨트(21)의 기재층은, 층 두께가 대략 30 내지 50 ㎛이다. 정착 벨트(21)의 기재층은 니켈, 스테인리스 등의 금속 재료 또는 폴리이미드 등의 수지 재료로 형성된다.
정착 벨트(21)의 탄성층은, 층 두께가 대략 100 내지 300 ㎛이다. 정착 벨트(21)의 탄성층은 실리콘 고무, 발포성 실리콘 고무, 불소 고무 등의 고무 재료로 형성되어 있다. 탄성층을 마련함으로써, 닙부에 있어서의 정착 벨트(21)의 표면의 미소한 요철이 형성되지 않게 되어, 기록 매체(P) 상의 토너상에 균일하게 열이 전해져서 오렌지 껍질 표면의 발생이 억제된다.
정착 벨트(21)의 이형층은, 층 두께가 대략 10 내지 50 ㎛이다. 정착 벨트(21)의 이형층은, PFA, PTFE, 폴리이미드, 폴리에테르이미드 또는 PES(폴리 에테르 설파이드) 등의 재료로 이루어진다. 이형층을 마련함으로써, 토너(T)(토너상)에 대한 이형성(박리성)이 보장가능하다.
또한, 정착 벨트(21)의 직경은 대략 15 내지 120 mm가 되도록 설정되어 있다. 본 발명의 제 1 실시예에서, 정착 벨트(21)의 상온에서의 내경은 대략 30 mm로 설정되어 있다.
정착 벨트(21)의 내부(내주면측)에는, 고정 부재(26), 가열부로서의 히터(25), 금속 부재(22), 보강 부재(23), 단열 부재(27) 등이 고정 설치되어 있다.
여기서, 고정 부재(26)는, 정착 벨트(21)의 내주면에, 불소 그리스 등의 윤활제를 거쳐 미끄럼 접촉하도록 고정되어 있다. 그리고, 고정 부재(26)가 정착 벨트(21)를 거쳐 가압 롤러(31)에 압접하는 것으로, 기록 매체(P)가 반송되는 닙부가 형성된다. 도 3에 도시한 바와 같이, 고정 부재(26)는, 그 폭방향 양단부가 정착 장치(20)의 측판(43)에 고정 지지된다. 고정 부재(26)의 구성·동작에 대해서는 다음에 자세하게 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 금속 부재(22)는 실질적으로 원통형 구성을 갖는다. 금속 부재(22)는, 닙부를 제외한 위치에서 정착 벨트(21)의 내주면에 대향하도록 정착 벨트(21)를 따라 소정 위치에 형성된다. 정착 벨트(21)의 닙부의 위치에서는, 단열 부재(27)를 거쳐 고정 부재(26)를 지지하도록 금속 부재(22)가 형성된다. 도 3에 도시한 바와 같이, 금속 부재(22)는, 그 폭방향 양단부가 정착 장치(20)의 측판(43)에 고정 지지된다.
더욱이, 금속 부재(22)는, 히터(25)의 복사열에 의해 가열되어 정착 벨트(21)를 가열한다[정착 벨트(21)에 열을 반송함]. 즉, 금속 부재(22)가 가열 부재로서의 히터(25)에 의해 직접적으로 가열되고, 금속 부재(22)를 거쳐 정착 벨트(21)가 가열 부재로서의 히터(25)에 의해 간접적으로 가열되게 된다. 정착 벨트(21)의 가열 효율을 양호하게 유지하기 위해서는, 금속 부재(22)의 두께를 0.1 mm 이하로 설정하는 것이 바람직하다.
금속 부재(22)의 재료로서는, 스테인리스강, 니켈, 알루미늄, 철 등의 금속 열전도체를 이용할 수 있다. 그 중에서도 단위 체적의 열용량비(밀도×비열)가 비교적 낮은 페라이트계 스테인리스강이 매우 적합하다. 본 발명의 제 1 실시예에서, 금속 부재(22)의 재료로서 페라이트계 스테인리스강인 SUS 430을 이용하고 있다. 또한, 금속 부재(22)의 두께를 대략 0.1 mm로 설정하고, 금속 부재(22)의 외경(상온 시의 외경)이 대략 29.5 mm로 설정되어 있다.
금속 부재(22)와 정착 벨트(21)와의 관계에 대해서는, 다음에 자세하게 설명한다.
가열부로서의 히터(25)는, 예컨대 할로겐 히터나 카본 히터이다. 히터(25)의 양단부는 정착 장치(20)의 측판(43)에 고정되어 있다(도 3 참조). 장치 본체(1)의 전원부에 의해 출력 제어된 히터(25)의 복사열에 의해, 금속 부재(22)가 가열된다. 더욱이, 금속 부재(22)에 의해 정착 벨트(21)가 닙부를 제외한 위치에서 전체적으로 가열되어, 가열된 정착 벨트(21)의 표면으로부터 기록 매체(P) 상의 토너상(T)에 열이 인가된다. 히터(25)의 출력 제어는, 정착 벨트(21) 표면에 대향하는 서미스터 등의 온도 센서(40)에 의한 벨트 표면 온도의 검지 결과에 따라 수행된다. 더욱이, 히터(25)의 출력 제어에 의해, 정착 벨트(21)의 온도(정착 온도)를 소망한 온도로 설정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 정착 장치(20)에서는, 정착 벨트(21)의 일부만이 가열되지 않는다. 금속 부재(22)에 의해 정착 벨트(21)가 원주방향에 걸쳐서 거의 전체적으로 가열된다. 따라서, 장치의 공정을 고속화했을 경우에도, 정착 벨트(21)가 충분히 가열되어 정착 불량의 발생을 억제할 수 있다. 즉, 비교적 단순한 구성으로 효율적으로 정착 벨트(21)를 가열할 수 있기 때문에, 워밍업 시간이나 최초 프린트 시간이 단축화되는 동시에, 장치의 소형화가 달성된다.
여기서, 금속 부재(22)는, 정착 벨트(21)의 내주면(닙부를 제외한 위치)에 간격을 가지고 대향하도록 고정 설치되어 있다. 정착 벨트(21)와 금속 부재(22)와의 간격량(A)(닙부를 제외한 위치의 갭)은, 0 mm보다 크고 1 mm 이하로 하는 것이 바람직하다(0 mm＜A≤1 mm). 이에 의해, 금속 부재(22)와 정착 벨트(21)가 서로 미끄럼 접촉하는 면적이 작아서, 정착 벨트(21)의 마모가 억제된다. 더욱이, 금속 부재(22)와 정착 벨트(21) 사이의 과도한 분리로 인해 가열 효율이 저하하는 불편을 억제할 수 있다. 또한, 금속 부재(22)를 정착 벨트(21) 근방에 마련함으로써, 가요성을 가지는 정착 벨트(21)의 원형 구성이 어느 정도로 유지될 수 있다. 이에 따라, 정착 벨트(21)의 변형에 의한 열화·파손을 경감할 수 있다.
금속 부재(22)와 정착 벨트(21)가 서로 미끄럼 접촉하더라도 정착 벨트(21)의 마모를 경감하기 위해, 정착 벨트(21)의 내주면에는, 불소를 포함한 재료로 이루어진 표면층이 형성되고, 쌍방의 부재(21, 22) 사이에는 불소 그리스 등의 윤활제가 도포되어 있다. 더욱이, 금속 부재(22)의 미끄럼 접촉면은 마찰 계수가 낮은 재료로 형성할 수도 있다. 본 발명의 제 1 실시예에서는, 금속 부재(22)의 단면 형상이 대략 원형이 되도록 형성했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 금속 부재(22)의 단면 형상이 다각형이 되도록 형성할 수도 있고, 금속 부재(22)의 원주면에 슬릿을 마련할 수도 있다.
여기서, 본 발명의 제 1 실시예에서는, 정착 벨트(21)의 내주면측 내에 보강 부재(23)가 고정된다. 보강 부재(23)는 닙부를 형성하는 고정 부재(26)의 강도를 보강하도록 구성된다. 도 3에 도시한 바와 같이, 보강 부재(23)의 폭방향에서의 보강 부재(23)의 길이는 고정 부재(26)의 길이와 실질적으로 동일하다. 보강 부재(23)의 폭방향에서의 보강 부재(23)의 양단부는 측판(43)에 의해 고정 지지된다. 고정 부재(26)와 정착 벨트(21)를 거쳐 보강 부재(23)가 가압 롤러(31)와 접촉하게 함으로써, 고정 부재(26)가 가압 롤러(31)의 가압력을 수용하여 크게 변형하는 문제점을 억제할 수 있다.
상술한 기능을 만족하기 위해, 보강 부재(23)는 스테인리스 또는 철 등의 높은 기계적 강도를 갖는 금속 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 보강 부재(23)에 있어서의, 히터(25)에 대향하는 면의 일부 또는 전부에, 단열 부재를 마련하거나 경면 처리를 가하거나 할 수도 있다. 이에 의해, 히터(25)로부터 보강 부재(23)로 향하는 열[보강 부재(23)를 가열하는 열]이 금속 부재(22)의 가열에 이용되지 않는다. 이에 따라, 정착 벨트(21)[금속 부재(22)]의 가열 효율이 한층 더 향상하게 된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 가압 롤러(31)는 닙부의 위치에서 정착 벨트(21)의 외주면에 접촉하는 가압 부재이다. 가압 롤러(31)는, 직경이 대략 30 mm이다. 가압 롤러(31)는 중공 구조를 갖는 코어형 바아(32) 상에 탄성층(33)을 형성함으로써 이루어진다. 가압 롤러(31)(가압 부재)의 탄성층(33)은, 발포성 실리콘 고무, 실리콘 고무, 불소 고무 등의 재료로 형성되어 있다. 또한, 탄성층(33)의 표층에 PFA (tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer), PTFE (polytetrafluoroethylene) 등으로 이루어지는 얇은 이형층을 마련할 수도 있다. 가압 롤러(31)는 정착 벨트(21)와 압접하고, 가압 롤러(31)와 정착 벨트(21) 사이에 소망한 닙부를 형성한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 가압 롤러(31)에는 기어(45)가 제공된다. 기어(45)는 구동 기구(도시하지 않음)의 구동 기어에 서로 맞물린다. 가압 롤러(31)는 도 2의 화살표방향(시계방향)으로 회전 구동된다. 또한, 가압 롤러(31)는, 그 폭방향 양단부가 정착 장치(20)의 측판(43)에 베어링(42)을 거쳐 회전가능하게 지지되어 있다. 가압 롤러(31)의 내부에는, 할로겐 히터 등의 열원이 제공될 수 있다.
가압 롤러(31)의 탄성층(33)을 발포성 실리콘 고무 등의 스펀지 재료로 형성한 경우에는, 닙부에 작용하는 가압력을 줄일 수 있기 때문에, 금속 부재(22)에 생기는 굽힘력이 더욱 경감될 수 있다. 더욱이, 가압 롤러(31)의 단열성이 개선되어 정착 벨트(21)의 열이 가압 롤러(31) 측에 반송되지 않을 수 있기 때문에, 정착 벨트(21)의 가열 효율이 향상한다.
또한, 본 발명의 제 1 실시예에서는, 정착 벨트(21)의 직경이 가압 롤러(31)의 직경은 가압 롤러(31)의 직경과 거의 동일하다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 정착 벨트(21)의 직경이 가압 롤러(31)의 직경보다 작게 형성될 수 있다. 이 경우, 닙부에서의 정착 벨트(21)의 곡률이 가압 롤러(31)의 곡률보다 작기 때문에, 닙부로부터 송출되는 기록 매체(P)가 정착 벨트(21)로부터 쉽게 분리될 수 있다.
도 4를 참조하면, 정착 벨트(21)의 내주면(21a)에 미끄럼 접촉하는 고정 부재(26)에서, 기재층(26b) 상에 표면층(26a)이 형성된다. 가압 롤러(31)에 대면하는 고정 부재(26)의 미끄럼 접촉면은, 고정 부재(26)의 미끄럼 접촉면의 곡률이 가압 롤러(31)의 곡률과 일치하도록 오목한 구성을 갖는다. 이러한 구조에 의해, 기록 매체(P)의 곡률이 가압 롤러(31)의 곡률과 일치하도록 기록 매체(P)가 닙부로부터 송출되기 때문에, 정착 공정 후의 기록 매체(P)가 정착 벨트(21)에 흡착하여 분리하지 않는 문제점을 방지가능하다.
본 발명의 제 1 실시예에서는, 닙부를 형성하는 고정 부재(26)의 형상을 오목한 구성으로 형성했다. 그러나, 닙부를 형성하는 고정 부재(26)의 형상을 평면 형상으로 형성할 수도 있다. 즉, 고정 부재(26)의 미끄럼 접촉면[가압 롤러(31)에 대향하는 면]는 평면 형상이 될 수 있다. 이 경우, 닙부의 구성이 기록 매체(P)의 화상면에 대해 거의 평행이 되어, 정착 벨트(21)와 기록 매체(P)와의 밀착성이 높아져서 정착성이 향상한다. 또한, 닙부의 출구 측에서의 정착 벨트(21)의 곡률이 커지기 때문에, 닙부로부터 송출된 기록 매체(P)를 정착 벨트(21)로부터 용이하게 분리할 수 있다.
또한, 고정 부재(26)의 기재층(26b)을 형성하는 재료로서는, 가압 롤러(31)에 의한 가압력인 인가되더라도 기재층(26b)이 크게 휘지 않도록 어느 정도의 강성이 있는 재료(예를 들면, 고강성의 금속이나 세라믹 등)로 형성되어 있다.
거의 파이프 형상의 금속 부재(22)는, 금속판을 굽힘으로써 형성되므로, 금속 부재(22)는 얇게 이루어져 워밍업 시간이 단축될 수 있다. 그러나, 금속 부재(22) 자체의 강성이 작기 때문에, 금속 부재(22)는 가압 롤러(31)의 가압력에 저항하지 못하여, 휘거나 변형될 수 있다. 파이프 형상의 금속 부재(22)가 변형해 버리면, 소망한 닙 폭을 얻지 못하여, 정착성이 저하된다고 하는 문제가 생긴다. 한편, 본 발명의 제 1 실시예에서, 고강성을 갖는 고정 부재(26)는 얇은 금속 부재(22)로부터 분리되게 제공됨으로써, 닙부가 형성되고, 상술한 문제점이 방지될 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 실시예에서는, 고정 부재(26)와 히터(25)(가열부) 사이에 단열 부재(27)가 설치된다. 보다 상세하게, 고정 부재(26)와 금속 부재(22) 사이에 단열 부재(27)가 제공됨으로써, 고정 부재(26)의 미끄럼 접촉면을 제외하고 고정 부재(26)의 표면을 덮는다. 단열 부재(27)의 재료로서는, 단열성이 뛰어난 스펀지 고무나, 거의 단열성인 세라믹 등을 이용될 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에서는, 정착 벨트(21)와 금속 부재(22)는, 정착 벨트(21)와 금속 부재(22)의 거의 전체 원주에서 서로 근접한다. 따라서, 가열 대기 시(프린트 동작 대기 시)에서도, 정착 벨트(21)를 원주방향으로 온도 불균일 없이 가열할 수 있다. 따라서, 프린트 지시를 수신한 후, 장치는 신속하게 프린트 동작을 수행할 수 있다. 이때, 종래의 주문형의 정착 장치(예를 들면, 일본특허 2884714호 공보 참조)에서는, 닙부에서 가열 대기 시에 가압 롤러를 변형시킨 상태로 열을 인가해 버리면, 가압 롤러의 고무의 재질에 따라서는, 열열화를 일으켜 가압 롤러의 수명이 짧아져 버리거나 가압 롤러에 압축 영구 폐해가 발생해 버린다. 고무의 압축 영구 폐해는, 고무의 변형에 가열이 더해지는 것으로 증대한다. 그리고, 가압 롤러에 압축 영구 폐해가 발생하면, 가압 롤러의 일부가 패인 상태가 되어, 소망의 닙 폭을 얻을 수 없기 때문에, 정착 불량이 발생하거나 회전시에 이음(allophone)이 생기거나 한다.
한편, 본 발명의 제 1 실시예에서는, 고정 부재(26)와 금속 부재(22) 사이에 단열 부재(27)가 설치되어 있기 때문에, 가열 대기 시에 금속 부재(22)의 열이 고정 부재(26)에 반송될 수 없다. 따라서, 따라서, 가열 대기 시에 가압 롤러(31)가 변형한 상태로 고온 가열되는 불편이 경감되어, 상술한 문제점이 생기는 것을 억제할 수 있다.
고정 부재(26)와 정착 벨트(21) 사이에 도포되며 고정 부재(26)와 정착 벨트(21) 사이의 마찰 저항을 저감하도록 구성된 윤활제는 닙부에서의 높은 압력 조건에 더불어 높은 온도 조건에서의 사용으로 인해 열화될 수 있다. 그 결과, 정착 벨트(21)의 슬립 등의 불편이 생겨 버릴 가능성이 있다.
한편, 본 발명의 제 1 실시예에서는, 고정 부재(26)와 금속 부재(22) 사이에 단열 부재(27)가 설치되기 때문에, 금속 부재(22)의 열이 닙부의 윤활제에 이르기 어려워진다. 따라서, 윤활제의 고온에 의한 열화가 경감되어, 상술한 문제점이 생기는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 실시예에서는, 고정 부재(26)와 금속 부재(22) 사이에 단열 부재(27)가 설치되어 있기 때문에, 고정 부재(26)가 단열되고, 닙부에서는 적극적으로 정착 벨트(21)가 가열되지 않게 된다. 그 때문에, 기록 매체(P)의 온도는 닙부로 보내진 기록 매체(P)가 닙부로부터 송출될 때 낮아진다. 즉, 기록 매체(P) 상에 부착된 토어상의 온도는 토너의 점도가 감소되도록 닙부에서 낮아진다. 정착 벨트(21)에 대한 토너 점착력이 낮아지면, 기록 매체(P)는 정착 벨트(21)로부터 분리된다. 따라서, 정착 공정 직후의 기록 매체(P)가 정착 벨트(21)에 감겨 잼이 발생하는 불편이 방지가능해진다. 더욱이, 정착 벨트(21)에 대한 토너 정착도 억제된다.
본 발명의 제 1 실시예에서는, 고정 부재(26)와 정착 벨트(21)(벨트 부재) 양자는 고정 부재(26)와 정착 벨트(21)가 접촉하는 미끄럼 접촉면 상에 제공되며 불소를 함유한 재료로 이루어진 표면층을 구비한다. 즉, 도 4에 도시한 바와 같이, 불소계 재료로 이루어진 표면층(26a)이 고정 부재(26)의 미끄럼 접촉면(26a)으로서 형성된다. 그리고, 불소계 재료로 이루어진 표면층은 정착 벨트(21)의 미끄럼 접촉면(21a) 상에 형성된다. 양자의 부재(21, 26)의 표면층(21a, 26a) 중 하나[본 발명의 제 1 실시예에서의 고정 부재(26)의 표면층(26a)]은 다공질 상태로 형성된다. 더욱이, 양자의 부재(21, 26)의 표면층(21a, 26a) 중 하나는 윤활제의 계면력보다 큰 표면 에너지를 갖는다.
이러한 구조에 의해, 양자의 부재(21, 26)의 미끄럼 접촉면 상에 유지되는 윤활제의 내구성이 극도로 향상되어, 정착 벨트(21)와 고정 부재(26) 사이의 마찰이 극도로 감소된다.
이하, 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 정착 벨트(21) 및 고정 부재(26)의 구체적인 구성을 후술한다.
정착 벨트(21)의 표면층(21a)(미끄럼 접촉층)은, 층 두께가 50 ㎛ 이하이며, 불소를 함유하는 재료로 형성된다. 더욱이, 표면층(21a)의 표면 에너지는 윤활제의 표면장력보다 커지도록 형성되어 있다. 구체적으로, 표면층(21a)(미끄럼 접촉층)을 형성하는 재료로서, PFA(테트라플루오르에틸렌-퍼플루오르알킬 비닐 에테르 공중합체), PTFE(폴리테트라플루오르에틸렌), FEP(테트라플루오르에틸렌-헥사 플루오르프로필렌 공중합체) 등의 불소 수지 재료에, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아미드-이미드 등의 수지를 혼합한 것이 이용되고 있다.
고정 부재(26)의 표면층(26a)은, 불소계의 코팅(고체 윤활제로서의 불소 입자가 분산된 코팅제나, 불소 분자가 분산된 공통분석 도금 등)이나, 불소 수지(PFA, PTFE, FEP 등), 불소 수지 필름 등으로 형성된다. 다공성 상태의 표면층(26a)이 형성되도록 블래스트 공정 또는 에칭 공정이 수행된다. 더욱이, 고정 부재(26)의 표면층(26a)으로서, 유리 천의 표면에 불소계의 코팅을 도포한 시트나, 불소 수지를 섬유화하여 직조한 메쉬 등을 이용할 수도 있다. 본 출원에서 "다공성 상태"의 표면층(26a)이란, 표면층(26a)의 전면에서 이면으로 다수의 구멍이 관통하는 표면층뿐만 아니라, 표면층(26a)의 전면(미끄럼 접촉면)에 다수의 요철(이면까지 관통하지 않는 구멍)이 형성되어 있는 표면을 포함하는 것으로 정의된다.
정착 벨트(21)와 고정 부재(26) 사이에 제공된 윤활제로서 불소 그리스 등이 사용될 수 있다.
이러한 구조의 경우, 쌍방의 표면층 중 하나의 표면층이 불소계 재료로 이루어지고, 다른 하나의 표면층이 폴리이미드 수지로 이루어진 경우에 비해, 미끄럼 접촉면의 마찰 저항이 극도로 낮다. 따라서, 정착 벨트(21)와 고정 부재(26)의 내구성이 향상된다. 즉, 강성의 표면층이 비교적 소프트한 불소계 재료로 이루어진 표면층과 미끄럼 접촉하는 경우에, 소프트한 불소계 재료로 이루어진 표면층이 크게 마모된다. 그러나, 본 발명의 제 1 실시예에서, 양자의 표면층이 비교적 소프트한 불소계 재료로 이루어지기 때문에, 어느 표면층도 극도로 마모되지 않는다. 더욱이, 어느 표면층을 다공성 상태로 형성함으로써, 표면층의 접촉 면적이 줄어서, 표면층의 마찰 저항이 감소된다.
더욱이, 양자의 표면층이 서로 매끄럽게 접촉하도록 형성된다면, 불소계 재료로 형성된 표면층의 표면 에너지(윤활제에 대한 습윤성)가 낮기 때문에, 미끄럼 성능이 열화되도록 윤활제가 배출된다. 한편, 본 발명의 제 1 실시예에서, 표면층 중 하나가 다공성 상태로 형성되기 때문에, 시간이 경과하더라도 표면층의 구성 내에 윤활제가 유지된다. 즉, 도 5에 도시한 바와 같이, 현미경으로 볼 때, 윤활제(Q)가 다공성 방식(도 5에 도시한 바와 같이 흰색 원들 사이에 다수의 갭을 형성하는 구조)으로 형성된 표면층(26a)의 메쉬 내에 들어가서, 윤활제(Q)는 표면층(26a)에 의해 강고하게 보유된다. 이러한 구조에 의해, 정착 벨트(21)와 고정 부재(26) 사이의 저마찰성, 저마모성이 향상되고, 미끄럼 접촉면의 윤활제의 성능이 극도로 향상된다. 여기서, 정착 장치(20)의 내구성이 크게 개선된다.
　이하, 상술한 바와 같이 구성된 정착 장치(20)의 동작에 대해 간단하게 설명한다.
장치 본체(1)의 전원 스위치가 온(on) 되면, 히터(25)에 전력이 공급되는 동시에, 가압 롤러(31)는 도 2 중의 화살표방향으로 회전된다. 이에 의해, 가압 롤러(31)와의 마찰력으로 인해, 도 2에 도시한 화살표방향으로 정착 벨트(21)도 회전된다.
그 후, 급지부(12)로부터 기록 매체(P)가 급송되는 한편, 2차 전사 롤러(89)의 위치에서, 기록 매체(P) 상에 미정착의 칼라 화상이 담지(전사)된다. 미정착 화상(T)(토너상)이 담지된 기록 매체(P)는, 가이드판(도시하지 않음)에 안내되면서 도 2의 화살표방향(Y10)으로 반송된다. 기록 매체(P)는 가압 롤러(31) 및 정착 벨트(21)의 닙부로 가압된 상태로 반송된다.
그리고, 금속 부재(22)[히터(25)]에 의해 가열된 정착 벨트(21)에 의한 가열과, 보강 부재(23)에 의해 보강된 고정 부재(26)와 가압 롤러(31)와의 압압력에 의해, 기록 매체(P)의 표면에 토너상(T)이 정착된다. 그 후, 닙부로부터 송출된 기록 매체(P)는 화살표방향(Y11)으로 반송된다.
이하, 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 정착 장치(20)에 대해 특징적인, 금속 부재(22) 및 정착 벨트(21)의 구성·동작에 대해 상세하게 설명한다.
도 6은 금속 부재(22)와 정착 벨트(21)를 폭방향(도 3의 도시한 방향에 대응함)으로부터 본 도면이며, 금속 부재(22)의 가열 변형 상태를 나타내는 모식도이다. 도 6의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 금속 부재(22)는 상온 상태로부터 가열되는 것으로 가열 변형이 생겨 휘게 된다. 따라서, 상온 시에 금속 부재(22)와 정착 벨트(21) 사이에 마련된 간격량(A)은, 금속 부재(22)의 변형량(B)에 대응하는 가열 시간 후에 감소된다. 그리고, 통상의 경우(후술 하는 가역 변화가 생기는 조건으로 가열·냉각을 수행하는 경우)에는, 가열 상태에 있는 금속 부재(22)가 냉각되어 상온 상태가 되면, 간격량(A)은 상온 시의 것으로 돌아오게 된다.
여기서, 금속 부재(22)와 정착 벨트(21) 사이의 상온 시에 있어서의 간격량(A)은, 도 6의 (a)에 도시한 바와 같이, 상온 시에 있어서의 금속 부재(22)의 외경과 정착 벨트(21)의 내경의 차이(부분적인 차이가 있는 경우에는, 그 최소치)이다. 또한, 금속 부재(22)의 변형량(B)은, 도 6의 (b)에 도시한 바와 같이, 직경방향의 휨량이며, 상온 상태로부터의 휨량이다.
여기서, 히터(25)에 의해 금속 부재(22)가 상온 상태로부터 가열되었을 때[도 6의 (a) 상태로부터 도 6의 (b) 상태로 변화하는 경우]에 금속 부재(22)에 생기는 변형량(B)의 변동은, 하기와 같다.
우선, 워밍업 등의 경우에, 상온 상태(또는 그에 가까운 상태)에 있는 금속 부재(22)는 히터(25)(가열부)에 의해 가열된다. 이는 비교적 급격한 가열이며, 이에 의해 정착 벨트(21)의 온도는 목표 정착 온도(대략 140 내지 180℃)로 상승된다. 따라서, 금속 부재(22)의 전체 온도 분포는, 가열 개시 직후에 불균일하게 시작한다. 보다 상세하게, 금속 부재(22)에 있어서, 히터(25)로부터 먼 외주면측에서의 온도는 히터(25)에 근접한 내주연 측에서의 온도보다 낮아서, 비교적 큰 온도 구배가 두께방향으로 발생된다. 이로써, 금속 부재(22)에 부분적 열팽창 차이가 생기고, 금속 부재(22)에 열변형(가열 변형)에 의한 굽힘이 생긴다. 금속 부재(22)에 생기는 최대의 변형량을 Bmax로 한다. 그러나, 그 후에, 급지(정착 공정)의 준비가 완료하여 정착 벨트(21)의 정착 온도가 목표치 근방에 도달하여 안정하게 되면, 금속 부재(22)의 온도가 전체적으로 균질화되어(두께 방향의 온도 구배가 작아짐), 금속 부재(22)의 변형량(B)이 작아져서 안정적인 변형량 Bave가 유지된다.
제 1 실시예에서, "A"는 "Bmax" 보다 작거나 같고, "Bave"보다 크고 ("Bmax"≥ "A" > "Bave"), 여기서, "A"는 정착 부재(21)와 금속 부재(22)의 상온 시에 간격량을 나타내고, "Bmax"는 히터(25)에 의해 상온 상태로부터 가열 개시될 때에 금속 부재(22)에 발생하는 최대의 변형량을 나타내고, "Bave"는 금속 부재(22) 전체의 온도가 균질화될 때에 금속 부재(22)에 발생하는 안정적인 변형량을 나타난다. 보다 상세하게, 상술한 관계를 충족하기 위해, 정착 벨트(21)의 내경 및 금속 부재(22)의 외경[간격량(A)], 금속 부재(22)의 재료 또는 두께, 정착 온도 등의 정착 조건, 가열 부재의 종류 등이 결정된다.
본 발명의 제 1 실시예에서는, 정착 벨트(21)의 내경이 대략 30 mm이며, 금속 부재(22)의 외경이 대략 29.5 mm이며, 간격량(A)이 대략 0.5 mm(= 30 mm - 29.5 mm)로 설정되어 있다. 또한, 금속 부재(22)의 재료로서, 두께가 0.1 mm의 SUS 430을 이용하고 있다. 가열 부재로서의 히터(25)를 이용하여, 목표의 정착 온도(제어 관점의 목표치)는 대략 180℃로 하고 있다. 이에 의해, 금속 부재(22)의 최대 변형량 Bmax는 대략 1.3 mm가 되어, 안정시 변형량 Bave가 대략 0.4 mm가 된다. 이에 따라, 상술한 조건이 만족된다.
이와 같이 설정함으로써, 간격량(A)과 최대 변형량(Bmax)의 관계(Bmax≥A)로부터, 정착 벨트(21)가 정지 상태에 있는 워밍업 시에는 금속 부재(22)가 정착 벨트(21)의 내주면에 강하게 접촉하게 된다. 공기를 개입시키는 일없이 금속 부재(22)로부터 정착 벨트(21)로의 열전도가 수행된다. 이에 따라, 정착 벨트(21)의 가열 효율이 향상된다.
구체적으로는, 금속 부재(22)가 정착 벨트(21)로부터 분리된 상태에서 워밍업이 수행되는 경우에 비해, 정착 벨트(21)의 온도를 상승시키는 시간이 단축된다.
또한, 간격량(A)과 안정시 변형량(Bave)과의 관계(A＞Bave)로부터, 정착 벨트(21)가 주행 상태에 있는 급지 시(정착 공정 시)에는 금속 부재(22)가 정착 벨트(21)의 내주면에 대해 미소한 간격을 열어 대향하게 되어(또는, 정착 벨트(21)의 내주면과 극도로 약한 힘으로 접촉하게 되어), 정착 벨트(21)나 금속 부재(22)의 마모를 저감하면서, 정착 벨트(21)를 효율적으로 가열할 수 있다.
여기서, 본 발명의 발명자는, 연구를 거듭한 결과, 이하를 알게 되었다.
금속 부재(22)의 가열 효율의 향상(열용량의 저하)을 달성하기 위해, 금속 부재(22)의 두께를 대략 0.1 mm 이하로 설정했을 경우에, 금속 부재(22)에 비가역 변화에 의한 가열 변형이 생겨버리는 금속 재료가 많다. 도 7에 도시한 바와 같이 "비가역 변화"에 의한 가열 변형이란, 가열 시에 생기는 금속 부재(22)의 휨[변형량(B)]이 가열과 냉각을 반복하더라도 가열 전에 있었던 것으로 되는 가역 변화와는 상이하다. 비가역 변화에 근거한 가열 변형은 가열 시에 생기는 금속 부재의 휨이 가열 전의 상온 시에 있었던 것이지만, 가열과 냉각을 반복하더라도 소성 변형으로서 남는 파단 현상이다. 이에 따라, 금속 부재(22)에 휨 형상이 생기면, 금속 부재(22)는 급지 시간에 정착 벨트(21)의 내주면과 부분적으로 그리고 강하게 접촉하여, 정착 벨트(21)의 내주면은 정착 벨트(21)의 표면 온도에 발생하므로, 출력 화상에 나쁜 정착 또는 고르지 않은 얼굴이 생길 수 있다.
본 발명의 발명자는, 금속 부재(22)의 비가역 변화에 의한 가열 변형(휨 현상)을 방지하기 위해, 금속 부재(22)의 경도를 최적화하는 것이 효과적인 것으로 알았다. 보다 상세하게, 금속 부재(22)의 경도가 너무 높은 경우에는, 금속 부재(22)가 열변형에 저항하지 않아서 휨 형상이 생겨 버린다. 한편, 금속 부재(22)의 경도가 비교적 낮은 경우에는, 금속 부재(22)가 열변형하더라도 탄성 복원될 수 있기 때문에, 열 변형이 가역적이다.
도 8은 금속 부재(22)의 빅커스 경도(Hｖ)와 금속 부재(22)를 굽히는 온도 사이의 관계를 나타내는 그래프(실험 결과)이다.
이 실험에서, 몇 가지의 실험 부품을 제조하였고, 금속 부재가 소정 온도로 크게 가열될 때에 휨 현상이 발생하는지의 여부를 결정하였다. 실험 부품은 정착 벨트(대략 35 ㎛의 막 두께를 갖는 니켈층, 대략 20 ㎛의 막 두께를 갖는 실리콘 고무층, 대략 15 ㎛의 막 두께를 갖는 PFA층을 금속 부재 측으로부터 순차적으로 적층함)를 상기한 빅커스 경도를 갖는 여러 가지의 금속 부재(대략 0.1 mm의 두께를 가짐)의 표면에 부착하여 제조하였다.
도 8에 도시한 그래프에서, 횡축은 금속 부재의 빅커스 경도를 나타내고, 종축은 정착 벨트의 표면 온도(PFA층 측의 온도)를 나타낸다. 도 8에서, "●"은 휨 현상이 생기지 않는 결과를 나타내고, "×"는 휨 현상이 발생하는 결과를 나타낸다. 예를 들면, 빅카스 경도가 약 300 Hｖ의 금속 재료로 이루어지는 금속 부재(22)는, 정착 벨트의 온도가 약 190℃가 되도록 급격하게 가열했을 경우에는 휨 현상이 발생하지 않았다. 빅카스 경도가 약 300 Hｖ의 금속 재료로 이루어지는 금속 부재(22)의 온도가 약 210℃이 되도록 급격하게 가열했을 경우에는 휨 현상이 발생했다.
도 8의 실험 결과로부터, 빅커스 경도가 280 Hｖ 이하의 금속 재료로 이루어지는 금속 부재(22)를 이용했을 경우에는, 정착 온도에 관계없이 금속 부재(22)에 휨 현상이 발생하지 않음을 알았다. 더욱이, 빅커스 경도가 340 Hv 이하의 금속 재료로 이루어지는 금속 부재(22)를 이용했을 경우에도, 정착 온도를 180℃ 이하로 설정하면, 금속 부재(22)에 휨 현상이 생기지 않는 것을 알 수 있다.
이러한 실험 결과를 반영하여, 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 정착 장치(20)에서는, 금속 부재(22)의 두께를 0.1 mm 이하로 설정하고, 빅커스 경도가 280 Hｖ 이하가 되는 금속 재료로서 금속 부재(22)를 형성하고 있다. 구체적으로, 금속 부재(22)의 재료로서, 페라이트계 스테인리스강인 SUS 430이 사용된다. SUS 430은, 7.73×10-3kg/m3의 밀도, 0.46kJ/kg℃의 비열, 206 Gpa의 신장 탄성률, 250Hｖ의 빅카스 경도, 3.56의 단위 체적당 열용량비를 갖는다. 이로써, 금속 부재(22)의 가열 효율이 높고, 금속 부재(22)에 휨 현상이 생기는 불편을 억제하는 것이 가능하다.
니켈은, 8.9×10-3kg/m3의 밀도, 0.439kJ/kg℃의 비열, 210 Gpa의 신장 탄성률, 96Hｖ의 빅커스 경도, 3.91의 단위 체적당 열용량비를 갖는다. SUS 304-1/2 H는, 7.93×10-3kg/m3의 밀도, 0.502kJ/kg℃의 비열, 197 Gpa의 신장 탄성률, 250Hｖ의 빅커스 경도, 3.98의 단위 체적당 열용량비를 갖는다.
이에 따라, 본 발명의 제 1 실시예에 대해서는, 금속 부재(22)와 정착 벨트(21)의 간격량(A)은 하기의 특성을 이용하여 최적화된다. 즉, 가열 개시되는 워밍업 시에는 최대의 변형량 Bmax으로 변형하고, 급지 시에는 비교적 작은 변형량 Bave에서 안정적인 변형 상태를 유지한다. 그 결과, 본 발명의 실시예는 워밍업 시간 또는 최초 인쇄 시간이 짧아지고, 장치(20)의 공정이 신속하게 이루어지더라도 나쁜 정착이 일어나지 않고, 정착 벨트(21)의 가열 효율이 충분히 높고, 정착 벨트(21)가 금속 부재(22)와 미끄럼 접촉하여 화상 형성 장치의 작동 시간에 마모될 문제점을 발생시킬 가능성이 감소될 수 있는 정착 장치 및 화상 형성 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 실시예에서는, 정착 부재로서 복층 구조의 정착 벨트(21)를 이용했지만, 정착 부재로서 폴리이미드, 폴리아미드, 불소 수지, 금속 등으로 이루어지는 무단형의 정착 막을 이용할 수도 있다. 그 경우에도, 금속 부재와 정착 필름과의 간격량을 최적화함으로써, 본 발명의 제 1 실시예으로 같은 효과를 얻을 수 있다.
(제 2 실시예)
도 9에서, 본 발명의 제 2 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 9는, 본 발명의 제 2 실시예에 있어서의 정착 장치를 나타내는 구성도이다. 제 2 실시예의 정착 장치는, 제 2 실시예의 정착 장치의 전자기 유도를 이용하여 금속 부재(22)를 가열한다는 점에서, 제 1 실시예의 정착 장치와는 상이하다.
도 9에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 있어서의 정착 장치(20)는, 본 발명의 제 1 실시예와 마찬가지로, 정착 벨트(21), 금속 부재(22), 가압 롤러(31), 고정 부재(26), 단열 부재(27) 등으로 구성되어 있다. 더욱이, 본 발명의 제 2 실시예의 정착 장치(20)에서도, "A"는 "Bmax" 보다 작거나 같고, "Bave"보다 크고 ("Bmax"≥ "A" > "Bave"), 여기서, "A"는 정착 벨트(21)와 금속 부재(22)의 상온 시에 간격량을 나타내고, "Bmax"는 히터(25)에 의해 상온 상태로부터 가열 개시될 때에 금속 부재(22)에 발생하는 최대의 변형량을 나타내고, "Bave"는 금속 부재(22) 전체의 온도가 균질화될 때에 금속 부재(22)에 발생하는 안정적인 변형량을 나타낸다.
본 발명의 제 2 실시예의 정착 장치(20)에서는, 히터(25) 대신에, 유도 가열부(50)가 제공된다. 본 발명의 제 2 실시예의 금속 부재(22)는, 히터(25)의 방사열에 의해 가열되는 제 1 실시예의 금속 부재(22)와는 달리, 유도 가열부(50)에 의한 전자기 유도를 이용하여 가열된다.
유도 가열부(50)는, 여자 코일, 코어, 코일 가이드 등으로 구성된다. 여자 코일은 정착 벨트(21)의 일부를 가리도록, 가는 선을 묶은 리츠선을 폭방향(도 9의 지면 수직 방향)으로 연장하여 설치한 것이다. 코일 가이드는, 내열성이 높은 수지 재료 등으로부터, 여자 코일이나 코어를 보유한다. 코어는, 페라이트 등의 강자성체(비투자율이 대략 1000 내지 3000 정도임)로 이루어지는 반원통형 부재이다. 코어는 금속 부재(22)를 향해 효율이 좋은 자속을 형성하기 위해 센터 코어 및 사이드 코어를 구비한다. 코어는 폭방향으로 연장하는 여자 코일에 대향한다.
이와 같이 구성된 정착 장치(20)는 하기와 같이 동작한다.
정착 벨트(21)가 도 9에 도시한 화살표방향으로 회전 구동되면, 정착 벨트(21)는 유도 가열부(50)와의 대향 위치에서 가열된다. 보다 상세하게, 여자 코일을 통해 고주파의 교류 전류를 흘리는 것으로, 금속 부재(22)의 주위에 자력선이 쌍방향에 교대로 바뀌도록 형성된다. 이때, 금속 부재(22) 표면에 와전류가 생기고, 금속 부재(22) 자체의 전기 저항에 의해 줄열(Joule heat)이 생긴다. 이러한 줄열에 의해서, 금속 부재(22)가 전자 유도 가열되고, 한층 더 가열된 금속 부재(22)에 의해 정착 벨트(21)가 가열된다.
금속 부재(22)를 효율적으로 전자 유도 가열하기 위해서는, 유도 가열부(50)를 금속 부재(22)의 원주방향 전역에 대향하도록 구성하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 제 1 실시예 뿐만 아니라, 제 2 실시예에 의하면, 금속 부재(22)와 정착 벨트(21)의 간격량(A)은 하기의 특성을 이용하여 최적화된다. 즉, 가열 개시되는 워밍업 시에는, 정착 벨트(정착 부재(21) 내에 제공된 금속 부재(22)는 최대의 변형량 Bmax으로 변형한다. 급지 시에는 비교적 작은 변형량 Bave에서 안정적인 변형 상태를 유지한다. 그 결과, 본 발명의 실시예는 워밍업 시간 또는 최초 인쇄 시간이 짧아지고, 장치(20)의 공정이 신속하게 이루어지더라도 나쁜 정착이 일어나지 않고, 정착 벨트(21)의 가열 효율이 충분히 높고, 정착 벨트(21)가 금속 부재(22)와 미끄럼 접촉하여 화상 형성 장치의 작동 시간에 마모될 문제점을 발생시킬 가능성이 감소될 수 있는 정착 장치 및 화상 형성 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예에서는, 금속 부재(22)를 전자기 유도 가열에 의해 가열했지만, 금속 부재(22)를 저항 발열체의 열에 의해 가열할 수도 있다. 보다 상세하게, 금속 부재(22)의 내주면의 일부 또는 전부에 저항 발열체를 접촉시킨다.
저항 발열체는, 세라믹 히터 등의 평면형 발열체이다. 평면형 발열체의 양단부에는 전원부가 접속되어 있다. 그리고, 저항 발열체를 통해 전류가 흐르면, 저항 발열체 자체의 전기 저항에 의해 저항 발열체가 온도 상승한다. 또한, 가열된 금속 부재(22)에 의해 정착 벨트(21)가 가열된다.
금속 부재(22)의 재료 또는 두께, 금속 부재(22)와 정착 벨트(21) 사이의 간격량, 및 제 1 및 제 2 실시예 뿐만 아니라 다른 경우에서의 것들을 최적화함으로써 제 1 및 제 2 실시예와 동일한 효과를 성취가능하다.
또한, 본 발명이 상기한 각 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술 사상의 범위 내에 있고, 상기 각 실시예에서 시사한 것 이외에도, 상기 각 실시예는 변경될 수 있다. 또한, 상기 구성 부재의 수, 위치, 형상 등은 상기 각 실시예예 한정되지 않고, 본 발명을 실시하는데 있어서 매우 적합한 수, 위치, 형상 등으로 할 수 있다.

Claims (4)

  1. 소정방향으로 주행하여 토너상을 가열하여 용융하는 동시에, 가요성을 갖는 무단형의 정착 부재;
    상기 정착 부재의 내주면에 간격을 가지고 대향하도록 고정되어 상기 정착 부재를 가열하는 동시에, 가열 수단에 의해 가열되는 금속 부재; 및
    상기 정착 부재에 압접하여 기록 매체가 반송되는 닙부를 형성하는 가압 부재;를 포함하며,
    "A"는 "Bmax" 보다 작거나 같고, "Bave"보다 크고 ("Bmax"≥ "A" > "Bave"),
    여기서, "A"는 상기 정착 부재와 상기 금속 부재의 상온 시에 간격량을 나타내고,
    "Bmax"는 상기 가열 수단에 의해 상온 상태로부터 가열 개시될 때에 상기 금속 부재에 발생하는 최대의 변형량을 나타내고,
    "Bave"는 상기 금속 부재 전체의 온도가 균질화될 때에 상기 금속 부재에 발생하는 안정적인 변형량을 나타내는 것을 특징으로 하는 정착 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 부재는, 그 두께가 0.1 mm 이하이고,
    상기 금속 부재의 빅커스 경도가 280 Hv 이하인 것을 특징으로 하는 정착 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 부재는 페라이트계 스테인리스강으로 형성되는 것을 특징으로 하는 정착 장치.
  4. 소정방향으로 주행하여 토너상을 가열하여 용융하는 동시에, 가요성을 갖는 무단형의 정착 부재;
    상기 정착 부재의 내주면에 간격을 가지고 대향하도록 고정되어 상기 정착 부재를 가열하는 동시에, 가열 수단에 의해 가열되는 금속 부재;
    상기 정착 부재에 압접하여 기록 매체가 반송되는 닙부를 형성하는 가압 부재;를 구비하는 정착 장치를 포함하는 화상 형성 장치에 있어서,
    "A"는 "Bmax" 보다 작거나 같고, "Bave"보다 크고 ("Bmax"≥ "A" > "Bave"),
    여기서, "A"는 상기 정착 부재와 상기 금속 부재의 상온 시에 간격량을 나타내고,
    "Bmax"는 상기 가열 수단에 의해 상온 상태로부터 가열 개시될 때에 상기 금속 부재에 발생하는 최대의 변형량을 나타내고,
    "Bave"는 상기 금속 부재 전체의 온도가 균질화될 때에 상기 금속 부재에 발생하는 안정적인 변형량을 나타내는 것을 특징으로 하는 화상 형성 장치.
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