JP2007086137A - 定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 定着装置の電源ＯＮ後、加熱定着部材の表面温度を短時間で立ち上げ、高速大量連続プリント時でも加熱定着部材の表面温度の低下を防止し、連続プリント中での定着性能を確保した定着装置の提供を目的とする。
【解決手段】 記録媒体に形成された未定着画像を加熱定着する加熱ランプを内蔵した加熱定着部材の外周表面に回転可能で自体が発熱するベルトを接触させて加熱する。
【選択図】 図１

Description

定着装置に関する。

従来、複写機、プリンタ、ＦＡＸ等の電子写真方式の画像形成装置に用いられている定着装置は、弾性層を有して所定の温度に維持された発熱ゴムローラと、該発熱ゴムローラに圧接し、弾性層を有する加圧ゴムローラとによって、未定着のトナー画像が形成された記録媒体を挟持搬送しつつ加熱する熱ローラ定着方式が多用されている。

しかしながら、この種の装置では、発熱ゴムローラの熱容量が大きいので、ウォーミングアップ時間が長くなっていた。それを回避するために、発熱体の発熱量を大きくしてウォーミングアップ時間を短くする方法も考えられるが、発熱体発熱量を大きくしすぎると発熱ゴムローラの芯金と弾性層の境界面に急激な温度上昇が発生し、弾性層の耐熱温度を越えて、発熱ゴムローラの寿命が著しく短くなるという問題が発生していた。

これを解消するため、発熱ゴムローラの外周面に加熱ランプを内臓する外部加熱ローラを接触させて発熱ゴムローラを加熱する定着装置が提案されていた（例えば、特許文献１参照）。

しかしこの方法を用いても高速度定着を行うためには熱量供給が十分ではなく、より高い熱量を速く供給できる定着方法が求められている。

そこで、定着装置の加熱体を加熱するための発熱体としては、トナーの定着温度、加熱体の熱容量の低減、電気−熱変換効率の向上を図ることから誘導加熱方式が提案されている。これら誘導加熱方式の導入により定着装置の省エネルギー化、ユーザの操作性向上に対し、かなりの改善がなされた。

発熱体に誘導加熱方式を使用した定着装置としては、例えば、加熱ローラは芯金と、芯金の上に径方向外側に向かって断熱層、発熱層、弾性層を有し、加熱ローラ外面に近接した前記コイルに高周波電流を流し、これによって生じた高周波磁界で加熱ローラの発熱層に誘導うず電流を発生させ、発熱層の抵抗によって発熱させる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平１１−７２１６号公報 特開２００１−３１２１６８号公報

しかしながら、外部加熱部材を内蔵ランプで加熱する場合、ローラの外周に配された弾性層が、熱伝導率の低いゴム層のため、連続プリント開始後に内蔵ランプから発生する加熱では熱供給が間に合わず、加熱ローラの表面温度が下がり、定着性能が低下してしまう問題が発生した。

誘導加熱方式で定着ローラを加熱する場合についても、発熱層より外周に熱伝導率の低いゴム層があるため、うず電流による熱がゴム層を伝導してから外側に到達するので熱供給が間に合わない場合が発生した。

そこで、本発明は、電源ＯＮ後、加熱定着部材の表面温度を短時間で立ち上げ、高速大量連続プリント時でも加熱定着部材の表面温度の低下を防止し、連続プリント中での定着性能を確保した定着装置の提供を目的とする。

本発明の目的は、下記構成により達成することができる。

（１）
記録媒体に形成された未定着画像を加熱定着する回転可能な加熱定着部材と、
前記加熱定着部材を圧接する加圧定着部材と、
前記加熱定着部材を加熱する外部加熱部材と、を有する定着装置において、
前記外部加熱部材は、回転可能で自体が発熱するベルトと、
前記ベルトを張架するローラとを有し、前記ベルトを前記加熱定着部材の外周表面に接触させて加熱することを特徴とする定着装置。

（２）
前記外部加熱部材は、張架された前記ベルトの内側にエネルギー供給手段を有することを特徴とする（１）に記載の定着装置。

（３）
前記外部加熱部材は、前記エネルギー供給手段の発生するエネルギーを制御する制御手段を有することを特徴とする（１）又は（２）に記載の定着装置。

（４）
前記ベルトは、電磁誘導加熱可能な材質からなり、前記エネルギー供給手段は電磁誘導コイルからなることを特徴とする（１）乃至（３）の何れか１項に記載の定着装置。

（５）
前記加熱定着部材に内蔵する加熱手段が発生する熱エネルギーと外部加熱部材が発生する熱エネルギーの配分を変更することを特徴とする（１）乃至（４）の何れか１項に記載の定着装置。

本発明によれば、高速連続プリントで定着する場合でも加熱定着部材の外周表面の温度の低下を防ぐことが可能である。さらに、定着装置の電源ＯＮ後に短時間で加熱定着部材の温度を立ち上げることができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。

本発明に係る定着装置が用いられる画像形成装置について、図１にて以下に述べる。

本発明の画像形成装置は、画像処理後のデータに従って像担持体としての感光体ドラム１０上に像露光を行う像露光手段としての露光装置１２、感光体ドラム１０及びその周囲に、帯電手段としての帯電極１１、現像剤担持体を有する磁気ブラシ型現像装置からなる現像手段としての現像器１３、転写分離手段としての転写分離極１４、クリーニング手段としてのクリーニング装置１９等の画像形成手段と、記録媒体Ｐ上のトナー像を溶融定着する定着装置１７とを有している。

不図示の画像読取装置により読み取られ、メモリに格納されている画像データが画像形成に応じて呼び出され、当該画像データに従って、例えばレーザ光学系を用いる露光装置１２によりドラム状感光体１０上に像露光が行われる。

当該像露光に先立ち、矢印で示す時計方向に回転されるドラム状感光体１０は、帯電極１１のコロナ放電作用により所定の表面電位を付与されているが、像露光による潜像部位の電位が露光量に応じて減じ、結果として、画像データに応じた静電潜像がドラム状感光体１０上に形成される。

静電潜像は、現像器１３に設けられる現像剤担持体としての現像ローラ（符号なし）により、帯電極性と同極性（本実施形態においては現像に使用されるトナー極性をマイナス極性とし、帯電極性をマイナス極性とする）のトナー（トナー粉末）を用いて反転現像され、可視化されたトナー像とされる。また図に示すように、現像器１３には、現像位置に対してドラム状感光体１０の回転方向上流側に、現像ウレタンシート１３ｂが設けられる。

一方、ドラム状感光体１０上のトナー像の先端部が転写分離極１４の転写領域に到達する前に、給紙トレイ（不図示）内の記録媒体Ｐが、送り出しローラ（不図示）により給送されてレジストローラ１６に到達し、先端規制される。

記録媒体Ｐは、トナー像、即ちドラム状感光体１０上の画像領域と重畳するように、同期を取って回転を開始するレジストローラ１６により、帯電手段および転写手段である転写分離極１４の転写領域に向けて搬送される。

転写領域において、ドラム状感光体１０上のトナー像は転写分離極１４の転写コロナ放電により記録媒体Ｐ上への転写が行われ、該記録媒体Ｐは転写分離極１４の分離コロナ放電による除電によりドラム状感光体１０から分離される。

トナー像が転写された記録媒体Ｐは、定着装置１７の加熱定着部材１７８と加圧定着部材１７６による加熱と加圧で、トナー像を形成するトナーが溶融定着された後、外部に排紙される。なお、外部加熱部材１７７は、加熱定着部材１７８外周に接触して熱の供給を行う。

転写後のドラム状感光体１０の周面上に残った転写残トナーは、例えば導電性ブラシを用いるクリーニングローラ１９１ｃと、クリーニング部材としてのクリーニングブレード１９１ａを備えるブレードユニット１９０とからなるクリーニング装置１９によりクリーニングされ、該クリーニング装置１９内に回収され、搬送スクリュー１９１ｈにより不図示のトナー回収容器に回収される。また、ブレードユニット１９０には交換用のクリーニング部材としてのクリーニングブレード１９１ｂが設けられる。

ドラム状感光体１０上の転写残トナーがクリーニング装置１９により回収された後、画像形成装置は次の画像形成サイクルに入る。

なお、上記画像形成装置の説明においては、モノクロ画像形成にて説明したが、カラー画像を形成する場合も本発明に含まれるものである。

本発明にかかわる外部加熱部材を有する定着装置について、図２を用いて以下に説明する。図２は、本発明に係る外部加熱部材を有する定着装置の概要断面図である。

定着装置１７は、図２に示すように、外部加熱部材１７７、加熱定着部材１７８、加圧定着部材１７６からなっている。

外部加熱部材１７７は、無端の加熱ベルト１７１と、加熱ベルト１７１を張架するローラ１７２、１７３、電磁誘導コイル支持部材としてのコイルボビンＣＬＢが加熱ベルト１７１内側に設けられ、電磁誘導コイルＬＣＬがコイルボビンＣＬＢに巻き付けられている。

外部加熱部材１７７は、張架された加熱ベルト１７１の内側にエネルギー供給手段である電磁誘導コイルＬＣＬを配することにより、電磁誘導コイルＬＣＬに対向する加熱ベルト１７１の２箇所を同時に加熱することが可能となる。

加熱ベルトは１７１は、例えば、外径φ８０ｍｍ、厚さ６０μｍのニッケル基体に１００μｍの厚さで弾性層シリコンゴムを被覆してある。

ローラ１７２，１７３は、例えば、芯金が外径φ２０ｍｍ、肉厚２ｍｍのアルミニウムであり、その表面はフッ素系樹脂を厚さ２０μｍで被覆されている。

電磁誘導コイルＬＣＬは、表層のチューブを被せたリッツ線からなるコイル線材により構成されており、誘導加熱コイルとして機能し、最大出力３００ワットである。

加熱定着部材１７８は、加熱ランプ１７４が内蔵されている加熱ローラ１７５からなる。

加熱ローラ１７５は、例えば、芯金が外径φ７０ｍｍ、肉厚１０ｍｍのアルミニウムであり、外周を弾性シリコンゴム０．５ｍｍで被覆し、さらに、表面に厚さ４０μｍのフッ素系樹脂チューブを被せている。加熱ローラ１７５の芯金内側には、熱源としての加熱ランプ１７４を配し、加熱ローラ１７５の外周表面には、表面温度を測定する接触式温度センサ（不図示）が設置されている。加熱ランプ１７４は、例えば、最大出力９００ワットのハロゲンヒータなどからなる。

加圧定着部材１７６である加圧ローラ１７９は、例えば、芯金が外径φ６０ｍｍ、肉厚３ｍｍの鉄であり、その外周を弾性シリコンゴム６．５ｍｍで被覆し、さらに、表面に厚さ４０μｍのフッ素系樹脂チューブを被せている。

図２を用いて定着動作について説明する。

加熱ローラ１７５に内蔵されている加熱ランプ１７４に電流を流すことで発熱し、加熱ローラ１７５の表面が加熱される。

一方、外部加熱部材１７７の電磁誘導コイルＬＣＬに高周波電流を流すことにより磁束が発生し、磁束は加熱ベルト１７１を横切ることで、うず電流を発生する。加熱ベルト１７１はうず電流によってジュール熱を発生し、ベルト自体が発熱する。

加熱ベルト１７１は加熱ローラ１７５外周面に接触しているので加熱ベルト１７１の熱は加熱ローラに伝導する。加熱された加熱ローラ１７５と加圧ローラ１７９との間で形成されるニップ部Ｎで加圧と加熱とにより、トナー像を形成するトナー粉末（トナー）が記録媒体Ｐ上に溶融定着される。

加熱ベルト１７１は、電磁誘導加熱可能な材質からなっているので加熱定着部材１７８を効率よく、速く加熱することができる。

図３は、本実施の形態の温度制御に係るブロック図である。

本実施の形態の温度制御は、制御手段３０、操作部４０、加熱ランプ駆動手段５０、電磁誘導コイル駆動手段６０、検知手段７０によりなされる。

制御手段３０は、ＣＰＵ（中央処理装置）３１、制御プログラムを記憶しているＲＯＭ３２、ワークメモリであるＲＡＭ３３や不揮発性メモリ３４から構成され、システムバス３５に接続される各部を総括的に制御する。

操作部４０は図示しないスイッチやＬＣＤ表示器などが配されており、スイッチによって加熱ランプの電流値や定着温度の設定等が行われる。

加熱ランプ駆動手段５０は、加熱ランプ１７４の駆動用電気回路からなり、制御手段３０から指示された電流値をＯＮ／ＯＦＦして加熱ランプを発熱させる。

電磁誘導コイル駆動手段６０は、ＡＣ−ＡＣインバータ等の電気回路からなり、制御手段３０からの指示により電磁誘導コイルＬＣＬへ印加される高周波電流のＯＮ／ＯＦＦを行って外部加熱部材１７７の加熱ベルト１７１を発熱させる。

検知手段７０は、加熱ローラ１７４に配された接触式温度センサ７１の出力をＡ／Ｄ変換して制御手段３０に送信する。

ここで、本発明に係る定着装置の温度制御について説明する。

本発明の定着装置の熱エネルギーは、前述した加熱定着部材１７８に内臓している加熱ランプ１７４と外部加熱部材１７７とをエネルギー供給手段としている。供給された熱エネルギーは、加熱ローラ１７５外周に伝導し、記録媒体Ｐ上のトナー像を定着する。検知手段７０は加熱ローラ１７５外周の温度を検知して制御手段３０に送信する。制御手段３０は、検知手段７０から受信した温度データに基づいて加熱ローラ１７５外周の温度が一定の範囲に保たれるように加熱ランプ駆動手段５０や電磁誘導コイル駆動手段６０に駆動電流ＯＮ／ＯＦＦ信号を送信する。加熱ランプ駆動手段５０や電磁誘導コイル駆動手段６０は駆動電流ＯＮ／ＯＦＦ信号に基づいて加熱ランプ１７４や電磁誘導コイルＬＣＬの駆動電流をＯＮ／ＯＦＦする。

このようにして、制御手段３０は、加熱定着部材１７８の温度を適切に保つことができる。

図４に、加熱ローラ１７５外周の温度と加熱ランプ１７４及び電磁誘導コイルＬＣＬのＯＮ／ＯＦＦ制御の関係を示す。

加熱ローラ１７５外周の温度は、例えば、１９０℃と２００℃の間に保たれるように制御される。

まず、定着装置１７の電源がＯＮされると加熱ランプ１７４と電磁誘導コイルＬＣＬの駆動電流がＯＮされる。加熱ローラ１７５外周の温度は上昇し、１９０℃に達する。（ｔ１）
加熱ローラ１７５外周の温度が１９０℃を越えると電磁誘導コイルＬＣＬの駆動電流をＯＦＦする。それでも温度は熱の伝導遅れによって上昇を続ける。やがて、温度は２００℃に達する。（ｔ２）
２００℃に達すると加熱ランプ１７４の駆動電流をＯＦＦする。それでも温度は熱の伝導遅れによって上昇を続ける。加熱ランプ１７４及び電磁誘導コイルＬＣＬの駆動電流がＯＦＦされているので、やがて、加熱ローラ１７５外周の温度は下降し、２００℃に達する。（ｔ３）
２００℃を割り込むと加熱ランプ１７４の駆動電流をＯＮする。それでも温度は熱の伝導遅れによって下降を続ける。やがて、温度は１９０℃に達する。（ｔ４）
１９０℃を割り込むと加熱ランプ１７４と電磁誘導コイルの駆動電流をＯＮする。熱の伝導遅れで下降を続けるが、やがて、加熱ローラ１７５外周の温度は上昇を始め、１９０℃に達する。（ｔ５）
続けてｔ２からｔ５のサイクルを繰り返す。

上記のように加熱ランプ１７４と電磁誘導コイルの駆動電流をＯＮ／ＯＦＦ制御することで加熱ローラ１７５外周の温度は、１９０℃〜２００℃近辺の温度に保たれる。

また、加熱ランプ１７４と電磁誘導コイルＬＣＬとの両者のエネルギー供給によって加熱ローラ外周の温度を１９０℃以上になるのであれば、両者の熱エネルギー供給の配分を変更しても、温度が１９０℃から２００℃近辺に保つことが可能である。

例えば、制御手段３０から加熱ランプ駆動手段５０へ支持される電流値を変更することで加熱ランプでの発熱量を変化させることができる。

このようにして、加熱定着部材１７８に内蔵する加熱手段が発生する熱エネルギーと外部加熱部材１７７が発生する熱エネルギーの配分を変更することにより、発熱を分散でき、一方に偏ることを防ぐことで、装置の小型化が可能となる。また、耐熱性部品を使用する必要がないのでコストダウンになる。さらに、装置の寿命が延びる。

さらに高速連続プリントを行った場合は、温度の下降が急峻になるので、温度プロファイルの波の周期（ｔ１〜ｔ５）は短くなるが、応答速度の速い電磁誘導コイルＬＣＬによる外部加熱部材の加熱によって追従が可能となり、温度を１９０℃〜２００℃の近辺に保つことができる。

図５は、定着装置１７の温度制御の処理の流れを示すフローチャートである。

図５（ａ）の温度設定ルーチンと図５（ｂ）の温度制御ルーチンを用いて定着装置の温度制御について説明する。

〔温度設定〕
ステップＳ１では、操作部から加熱ランプの電流値を入力する。入力された値を不揮発性メモリ３４の設定値１に保存する。

ステップＳ２では、操作部から加熱ローラ外周の下限温度（例えば、１９０℃）を入力する。入力された値を不揮発性メモリ３４の設定値２に保存する。

ステップＳ３では、操作部から加熱ローラ外周の上限温度（例えば、２００℃）を入力する。入力された値を不揮発性メモリ３４の設定値３に保存する。

〔温度制御〕
ステップＳ１１では、接触式温度センサで検知した温度が設定値２より大であるかを比較する。大の場合（ステップＳ１１：ＹＥＳ）はステップＳ１４へ、小の場合（ステップＳ１１：ＮＯ）はステップＳ１２へ進む。

ステップＳ１２では、設定値１に保存した加熱ランプの電流値でランプをＯＮする。

ステップＳ１３では、電磁誘導コイルへの電流をＯＮする。

ステップＳ１４では、接触式温度センサで検知した温度が設定値３より大であるかを比較する。小の場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）はステップＳ１７へ、小の場合（ステップＳ１４：ＮＯ）はステップＳ１５へ進む。

ステップＳ１５では、加熱ランプをＯＮする。

ステップＳ１６では、電磁誘導コイルをＯＦＦする。

ステップＳ１７では、加熱ランプをＯＦＦする。

ステップＳ１８では、電磁誘導コイルへの電流をＯＦＦする。

次に本発明の効果をより明言するために従来例と本発明の実施例との比較を行う。

図６は、従来例の１つで、外部加熱部材がない場合（従来例１）で、図７は、従来例の１つで、外部加熱部材として加熱ベルトと加熱ランプを内蔵した外部加熱ローラを用いた場合（従来例２）である。

［従来例１］
図６において、定着装置１８は、加熱定着部材である加熱ローラ１７５及び加熱ランプ１７４と、加圧定着部材である加圧ローラ１７９と、からなる。各々ユニットは前述した本発明と同一構成である。

［従来例２］
図７において、定着装置２０は、加熱定着部材である加熱ローラ１７５及び加熱ランプ１７４と、加圧定着部材である加圧ローラ１７９と、外部加熱部材２０７である無端のベルト２０１及びベルト２０１を張架するローラ２０２、２０３と、からなる。

加熱定着部材と加圧定着部材は前述した本発明と同一構成である。

ベルト２０１は、例えば、外径φ８０ｍｍ、厚さ６０μｍのニッケル基体に１００μｍの厚さで弾性層シリコンゴムを被覆してある。

ローラ２０２，２０３は、例えば、芯金が外径φ２０ｍｍ、肉厚２ｍｍのアルミニウムであり、その表面はフッ素系樹脂により厚さ２０μｍで被覆されている。なお、ローラ２０２では、芯金内側に、熱源としての加熱ランプ２０４を配置しており、３００ワット出力でＯＮ／ＯＦＦ制御する。

比較方法は、以下のとおりである。

実験環境としては、温度２０℃湿度５０％ＲＨ、いわゆる常温、常湿である。

記録媒体は、Ａ４普通紙（コニカミノルタコピー用紙Ｊペーパー）を使用した。

実験方法は、定着装置を回転させて加熱ローラ外周の温度が２００℃に到達し安定したら、６００枚連続通紙させ、加熱ローラ外周の温度の推移を測定記録する。

通紙の速度を以下の３種類で実験を行った。

実験１は２０ｐｐｍ（プロセススピード１１０ｍｍ／秒）
実験２は５０ｐｐｍ（プロセススピード２８０ｍｍ／秒）
実験３は１１０ｐｐｍ（プロセススピード６１０ｍｍ／秒）
なお、定着時の加熱ローラ外周の温度と定着性能の相関性を取るために事前に予備実験を行った。

ベタ黒パッチ画像のトナー像を記録媒体に転写し、定着後、定着画像を「さらし布」で巻いた１ｋｇの重りで１０回擦る。擦る前と後のベタ黒パッチ定着画像内の５箇所を反射濃度計で反射濃度を測定する。測定値の平均値を反射濃度測定値とした。反射濃度計は画像反射濃度計（製品名：マクベス濃度計 ＲＤ−９１８）を使用した。

ここで、定着率とは、

である。

定着性能とは、定着率のことを指し、定着率が８５％以上の場合に、定着性能が良好、８５％未満の場合を不良と判定した。

図８（ａ）〜（ｃ）に実験１〜３における加熱ローラ外周の温度の推移のグラフを示す。実験１〜３の結果を表１に示す。判定の欄において、○は良好、×は不良を示す。

これらの結果から、本発明に係る定着装置では、高速の画像形成を行っても加熱ローラ表面の温度低下を抑制できることが確認された。一方、従来例では、通紙速度が上昇するに従い加熱ローラ表面の温度低下が顕著にあらわれ、高速の画像形成が困難になる結果が得られた。

本発明に係る定着装置が用いられる画像形成装置の概要断面図である。 本発明に係る外部加熱部材を有する定着装置の概要断面図である。 本実施の形態の温度制御に係るブロック図である。 加熱ローラ外周の温度と加熱ランプ及び電磁誘導コイルのＯＮ／ＯＦＦ制御の関係を示す図である。 定着装置の（ａ）温度設定と（ｂ）温度制御の処理の流れを示すフローチャートである。 定着装置の従来例の１つで、外部加熱部材がない場合の定着装置の概要断面図である。 定着装置の従来例の１つで、外部加熱部材として加熱ベルトと加熱ランプを内蔵した外部加熱ローラを用いた場合の概要断面図である。 （ａ）は通紙速度２０ｐｐｍの場合の加熱ローラ温度推移である。（ｂ）は通紙速度５０ｐｐｍの場合の加熱ローラ温度推移である。（ｃ）は通紙速度１１０ｐｐｍの場合の加熱ローラ温度推移である。

符号の説明

１７ 定着装置
１７１ 加熱ベルト
１７２ ローラ
１７３ ローラ
１７４ 加熱ランプ
１７５ 加熱ローラ
１７６ 加圧定着部材
１７８ 加熱定着部材
ＣＬＢ コイルボビン
ＬＣＬ 電磁誘導コイル
Ｐ 記録媒体

Claims (5)

1. 記録媒体に形成された未定着画像を加熱定着する回転可能な加熱定着部材と、
   前記加熱定着部材を圧接する加圧定着部材と、
   前記加熱定着部材を加熱する外部加熱部材と、を有する定着装置において、
   前記外部加熱部材は、回転可能で自体が発熱するベルトと、
   前記ベルトを張架するローラとを有し、前記ベルトを前記加熱定着部材の外周表面に接触させて加熱することを特徴とする定着装置。
2. 前記外部加熱部材は、張架された前記ベルトの内側にエネルギー供給手段を有することを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記外部加熱部材は、前記エネルギー供給手段の発生するエネルギーを制御する制御手段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. 前記ベルトは、電磁誘導加熱可能な材質からなり、前記エネルギー供給手段は電磁誘導コイルからなることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の定着装置。
5. 前記加熱定着部材に内蔵する加熱手段が発生する熱エネルギーと外部加熱部材が発生する熱エネルギーの配分を変更することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の定着装置。

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