JP2015165277A - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】任意のタイミングで充分に定着部材を加熱することが可能で、省エネルギーと確実な定着を両立させることのできる定着装置を提供する。
【解決手段】定着ベルト３８の厚さをｄとし、定着ベルトの温度伝導率をｘとする。ただし、ｘ＝ベルトの熱伝導率λ／（ベルトの密度ρ／ベルトの比熱Ｃｐ）である。そして、定着ベルト３８が加熱ニップＫＮ出口から定着ニップＴＮ入口まで到達する（移動する）時間をｔとする。上記の時間ｔが次の数式を満たすように構成する。
ｔ＞ｄ＾２／ｘ
これにより、ベルト内側に配置した加熱手段５６によって加熱されたベルト部位が定着ニップ入口に到達するまでに、ベルト内側から加熱された熱がベルト表面に達して、確実な定着を行う。
【選択図】図１０

Description

本発明は、記録材上の未定着画像を定着させる定着装置及び定着装置を備える画像形成装置に関するものである。

電子写真方式を利用した複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置では、像担持体上に画像情報に基づいてトナー像を形成し、該トナー像を紙やＯＨＰシート等の記録材上に転写し、トナー像を担持した記録材を定着装置に通して熱と圧力によりトナー像を記録材上に固定する。

省エネルギーを実現する定着装置としては、ベルト及びフィルム方式がよく用いられており、また、断熱ローラを外部から加熱する方式や、画像情報を基に画像領域のみを選択的に加熱する技術が提案されている。

例えば特開平６−９５５４０号公報（特許文献１）には、薄肉円筒状の耐熱性フィルムに接触する板状加熱体と、加圧ローラでフィルムと記録材を密着させるように挟み込み、熱エネルギーを記録材に与える構成の定着装置が開示されている。この定着装置では、フィルムが約１００μｍ程度と薄いため、実質的に立ち上げ時間は熱容量の小さい板状加熱体の温度を上昇させるだけで済むため、立ち上がり時間を短縮でき、予熱電力を削減できる。

さらに、記録材上に形成された画像にあわせ、加熱体の制御温度・加熱域を変化させ、非画像領域（画像形成領域における画像が存在しない部分）へのエネルギー供給を削減することで、省エネルギーを可能とすることが記載されている。

また、特開２００５−１８１９４６号公報（特許文献２）には、サーマルヘッドの発熱体の素子ごとの温度を測定して適正な熱を供給することで、周囲温度の影響も考慮し、かつ紙面上のトナー部分にのみ熱を加える構成が開示されている。

また、特開２００１−３４３８６０号公報（特許文献３）には、ローラを外部から加熱する構成の定着装置が開示されている。これは、外部から加熱することで定着ローラ表層近傍に蓄熱した熱でトナー溶融を行うことで、定着ローラ全体を加熱する内部加熱方式に比べて立ち上がり時間が短く、エネルギーロスが少ないという利点がある。また、画像域だけを選択的に加熱すると共に，定着設定温度よりも低い第二の設定温度を有することも記載されている。

ところで、フィルム定着構成を用いて画像情報に応じた加熱制御を行う場合、電力印加に対して急激な昇温が可能な高応答熱源とともに、フィルムの十分な薄肉化と低熱容量化が必要である。フィルムがある程度の熱容量を有するため、定着ニップ部に加熱体を設置しても内面から加熱した熱量が表面まで加熱するには時間がかかり、従来の定着装置では、画像情報に応じて十分に被加熱部材を加熱することが難しかった。

そこで本発明は、任意のタイミングで充分に定着部材を加熱することが可能で、省エネルギーと確実な定着を両立させることのできる定着装置ならびに画像形成装置を提供することを課題とする。

この課題を解決するため、本発明は、ループ状に形成されて回転可能な定着部材と、該定着部材に圧接して該定着部材との間に定着ニップを形成する加圧部材と、前記定着部材のループ内で前記定着部材に接触して配置され前記定着部材を加熱する加熱手段とを有し、未定着画像を担持する記録材を前記定着ニップに通して定着を行う定着装置において、前記定着部材を挟んで前記加熱手段に対向配置され、前記定着部材との間に加熱ニップを形成する加熱押圧部材が設けられ、前記加熱ニップが前記定着ニップの定着部材回転方向上流側に位置しており、前記定着部材が、前記加熱ニップ出口から前記定着ニップ入口まで移動する時間ｔが次式で表されることを特徴とする。

本発明によれば、定着ベルトの内側に配置した加熱手段によって加熱されたベルト部位が定着ニップ入口に到達するまでに、ベルト内側から加熱された熱がベルト表面に達していることになり、定着ニップ部において未定着トナーを確実に定着させることができる。

またそれにより、画像情報に応じた加熱制御を行う場合であっても任意のタイミングで充分に定着部材を加熱することが可能となり、省エネルギーと確実な定着を両立させることができる。

本発明に係る定着装置を備える画像形成装置の一例における概略を示す断面構成図である。 定着装置の要部構成を示す断面図である。 加熱手段の構成例を示す模式図である。 加熱手段の構成を模式的に示す正面図である。 加熱手段への電力供給配線を示す図である。 定着ベルトの断面図である。 定着装置の別構成を示す図である。 画像形成パターンの例を示す図である。 図８（ａ）のパターンにおける定着ベルトの温度制御の様子を示すチャートである。 図２の構成における、加熱ニップ部と定着ニップ部を拡大して示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る定着装置を備える画像形成装置の一例における概略を示す断面構成図である。この図に示すプリンタは、像担持体としての感光体ドラム８、転写手段１０、定着装置３０等を有している。

感光体ドラム８の周りには、矢印で示す回転方向順に、帯電手段としての帯電ローラ１８、図示しない露光手段の一部を構成するミラー２０、現像ローラ２２ａを備えた現像手段２２、転写手段１０、クリーニングブレード２４ａを備えたクリーニング手段２４等が配置されている。

帯電ローラ１８と現像手段２２の間において、ミラー２０を介して感光体ドラム８上の露光部２６に露光光Ｌｂが照射され、感光体を走査するようになっている。

給紙手段４は、記録材としての用紙Ｐが積載状態で収容される給紙トレイ１４と、給紙トレイ１４に収容された用紙Ｐａを最上のものから順に１枚ずつ分離して送り出す給紙コロ１６等を有している。給紙コロ１６によって送り出された用紙Ｐａはレジストローラ対６で一旦停止され、姿勢ずれを矯正された後、感光体ドラム８の回転に同期するタイミングで、すなわち、感光体ドラム８上に形成されたトナー像の先端と用紙Ｐａの搬送方向先端部の所定位置とが一致するタイミングでレジストローラ対６により転写部位Ｎへ送られる。

上記のように構成された本実施形態のプリンタにおける画像形成動作について簡単に説明する。
感光体ドラム８が回転を始めると、感光体ドラム８の表面が帯電ローラ１８により均一に帯電され、画像情報に基づいて露光光Ｌｂが露光部２６に照射、走査されて作成すべき画像に対応した静電潜像が感光体上に形成される。その静電潜像は感光体ドラム８の回転により現像手段２２へ移動し、ここでトナーが供給されて可視像化され、トナー像が形成される。

感光体ドラム８上に形成されたトナー像は、所定のタイミングで転写部位Ｎに進入してきた用紙Ｐａ上に転写手段１０による転写バイアス印加により転写される。トナー像を担持した用紙Ｐａは定着装置３０へ向けて搬送され、定着装置３０で定着された後、図示しない排紙トレイへ排出・スタックされる。

転写部位Ｎで転写されずに感光体ドラム８上に残った残留トナーは、感光体ドラム８の回転に伴ってクリーニング手段２４に至り、このクリーニング手段２４を通過する間にクリーニングブレード２４ａにより掻き落とされて清掃される。その後、感光体ドラム８上の残留電位が図示しない除電手段により除去され、次の作像工程に備えられる。

次に、本発明に係る定着装置の構成について説明する。
図２は、定着装置の要部構成を示す断面図である。この図に示す定着装置は、定着部材である定着ベルト３８を備えている。定着ベルト３８のループ内には加圧ローラ３１と対向する位置に押圧部材６０が配置され、この押圧部材６０に定着ベルト３８を挟んで加圧ローラ３１が圧接され定着ニップＴＮを形成している。また、定着ニップＴＮの上流側（ベルト回動方向の上流側）で定着ベルト３８のループ内には加熱手段５６が配置され、その加熱手段５６に対向する位置に、押圧ローラ３２（加熱押圧部材）が配置されている。加熱手段５６と押圧ローラ３２が定着ベルト３８を挟んで圧接されることで、加熱ニップＫＮ（図１０）が形成される。

本実施形態における定着装置では、加熱手段５６として、板状基体に抵抗発熱体を形成したサーマルヘッドやセラミックヒータなどを用いている。この加熱手段５６を、フィルムやスリーブなどの定着ベルト３８の内部に配置し、その熱で定着ベルト３８の温度を上昇させることで、定着ニップＴＮに搬送される用紙Ｐａ上の未定着トナー像を加熱して定着させる。

図３は、加熱手段５６の構成例を示す模式図である。
この図に示す加熱手段５６は、低熱伝導率基材５６ａ上に抵抗発熱体５６ｂと、抵抗発熱体に電力を供給するための配線５６ｃを配置し、ＯＣ層５６ｄで被覆して板状加熱手段として構成している。

基材５６ａとしては板状のアルミナや窒化アルミ等のセラミックでも良いが、熱伝導率が３［Ｗ／ｍｋ］のジルコニアよりも低いコーディライト等の低熱伝導率のセラミックやガラスを使用することで、ベルトと接触する側に発熱体を形成することで応答性の速い高効率な加熱体を得ることができ、自由度の高い加熱制御を行うことが可能となる。

図４は、加熱手段５６の構成を模式的に示す図であり、図３の右方向から見た正面図となっている。図４では、配線パターンの異なる２例を示してある。

図４に示すように、加熱手段５６は、長手方向（用紙搬送方向と直交する方向）に複数分割された加熱領域を有している。図示例では、ＣＨ１〜ＣＨ３の３つの加熱領域（発熱領域）を有する構成であるが、加熱領域の数はこれに限定されるものではなく、より多くの加熱領域を有する構成でもよい。

配線のパターンは、図４（ａ）のように各加熱領域毎に発熱体を形成しても良いし、図４（ｂ）のように櫛歯状に形成しても良い。図４（ｂ）のような櫛歯状の形状の方が隣接する加熱領域とのスペースが不要で均一な加熱をすることが可能となる。また、各加熱領域（ＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３）には個別配線［１〜３ｃｈ］と共通配線［ｃｏｍ］が接続されており、各加熱領域は独立に加熱制御が可能となっている。

また、図５に示すように、加熱手段５６はそれぞれの加熱領域を電源４０と並列接続し，スイッチ部材ＳＷにより任意のタイミングでＯＮ／ＯＦＦ可能となっている。図示例では加熱領域を３つにしてスイッチ部材ＳＷを３つにしているが、より多く７分割や１３分割にする事も可能である。

次に、定着ベルトの構成を、図２及び図６を参照して説明する。
本実施形態における定着ベルト３８は、外径が４０ｍｍで厚みが５０〜１００μｍのＰＩ（ポリイミド）製の基体３８ａと、この基体３８ａの表面に被覆された弾性層３８ｂを有している。弾性層３８ｂは、シリコーンゴムで形成されており厚みは５０〜１００μｍである。そして定着ベルト３８の表面には、耐久性を高めて離型性を確保するために、ＰＦＡやＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂による厚みが５〜５０μｍの離型層３８ｃが形成されている。なお、定着ベルトの基体３８ａはポリイミドに限らず，ニッケルやＳＵＳなどの金属基体であってもよい。

定着ベルト３８の内部（ループ内）には、支持部材６１があり、ニップ部ＴＮの箇所には押圧部材６０が設置され、図示しない側板外部部材と接続されて上記定着部材を支持している。

加圧ローラ３１は、外径が４０ｍｍで厚みが２ｍｍの鉄製の芯金３１ａと、この芯金３１ａの表面に被覆された弾性層３１ｂを有している。弾性層３１ｂはシリコーンゴムで形成されており厚みは５ｍｍである。弾性層３１ｂの表面には、離型性を高めるために厚みが４０μｍ程度のフッ素樹脂層を形成するのが望ましい。

加圧ローラ３１は図示しない付勢手段により定着ベルト３８に圧接されている。本実施形態では、加圧ローラ３１が駆動手段（図示せず）により回転駆動され、定着ベルト３８は加圧ローラ３１に連れ回り（従動回転）する。

上述したように、定着ベルト３８のループ内には加熱手段５６が配置され、その加熱手段５６に対向する位置に、押圧ローラ３２が配置されている。押圧ローラ３２の構成は加圧ローラ３１と同様であるが、ローラ径は加圧ローラ３１よりも小さいものを用いている。加熱手段５６は図示しない付勢手段により定着ベルト３８の表面に押し当てられている。

なお、加熱手段を押圧部材として用いることも可能である。すなわち、図７に示すように、加熱手段５６を定着ニップＴＮの箇所に配置し、加圧ローラ３１を圧接させることで、図２の構成における押圧部材６０のように、定着ニップを形成する押圧部材として機能させる構成でもかまわない。

図２に示すように、定着ニップＴＮの下流で加熱手段５６の上流に、定着ベルト３８の表面温度を検知する温度検知手段としてのサーミスタ３４が配置されている。また、ベルト内部には、加熱手段５６の温度を検知する加熱部材温度検知手段としてのサーミスタ３６が設けられている。

さらに、加熱手段５６に電力を供給する電源４０と、サーミスタ３４及びサーミスタ３６の検知情報に基づいて電源４０を制御する加熱制御手段４２を有している。加熱制御手段４２は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏインターフェース等を包含するマイクロコンピュータを意味する。

次に、加熱制御について説明する。
上述したように、加熱手段５６が有する複数の加熱領域（ＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３）は独立して加熱制御可能となっており、画像情報に応じて各加熱領域を加熱制御することにより、省エネルギー化を実現できる。すなわち、加熱制御手段４２は、用紙Ｐａに画像を形成するための画像情報に基づいて、加熱手段５６の加熱割合を変化させる。その制御動作の一例を以下に説明する。

図８は、画像形成パターンの例を示す図である。
図８には、用紙Ｐａ上に画像領域と非画像領域を有する画像形成パターンが２例示されている。図８（ａ）のものは、矢印で示す用紙進行方向の先端側から画像領域ａ，非画像領域ｂ，画像領域ａ’が存在するパターンである。また、図８（ｂ）のものは、矢印で示す用紙進行方向の先端側から画像領域ａ，非画像領域ｂが存在するパターンである。

なお、図中に斜線を付して示してあるのは、加熱手段５６の加熱領域である。図８の例では、画像領域ａ及び画像領域ａ’は共に、用紙幅方向の全域（用紙上の画像形成範囲の全域）に亘って画像が在るため、加熱手段５６は、長手方向全域（複数の加熱領域の全部）を発熱させるように制御される。この図では、画像領域に対応して加熱手段５６の加熱領域が発熱されるイメージを表している。

さて、画像領域ａと画像領域ａ’では定着が必要であるが、非画像領域ｂでは定着対象のトナーが存在しないので定着の必要はない。
図示しない画像処理装置から上記パターンの画像情報が加熱制御手段４２へ入力されると、加熱制御手段４２は、非画像領域ｂに対応する定着ベルト３８の部位の温度が、画像領域ａ及びａ’に対応する定着ベルト３８の部位の温度よりも低くなるように加熱手段５６を制御する。ここで、画像領域又は非画像領域に対応するとは、定着ベルト３８が密着する位置という意味である。

すなわち、図８（ａ）のパターンにおいて、画像領域ａに対応する部位では加熱手段５６の長手方向全域に定着温度が得られる電力を供給し、非画像領域ｂに対応する部位では供給電力を低減する。紙後端部の画像領域ａ’に対応する部位では再び定着温度が得られる電力を供給する。

図８（ａ）のパターンにおける、定着ベルトの温度制御の様子を、図９にチャートにて示す。定着ベルト３８を制御する目標温度として、第一と第二の目標温度が設定されている。画像領域ａ及びａ’に対応する部位では第一の目標温度となるように加熱手段５６に電力Ｐを供給し、非画像領域ｂに対応する部位では第二の目標温度となるように加熱手段５６に供給する電力をＰ’に低減させる。

図８（ｂ）のパターンの場合、チャートには示していないが、紙先端部の画像領域ａに対応する部位では加熱手段５６の長手方向全域に第一の目標温度が得られる電力Ｐを供給し、以降の非画像領域ｂに対応する部位では供給電力をＰ’に低減する。

図８では、画像領域と非画像領域が用紙搬送方向における領域である（用紙幅方向では画像領域と非画像領域を区別しない）場合を例示したが、本実施形態の加熱手段５６は用紙搬送方向と直交する方向に複数分割された加熱領域（ＣＨ１〜ＣＨ３）を有しており、その各加熱領域が独立して加熱制御可能に設けられているため、用紙幅方向すなわち用紙搬送方向と直交する方向に画像領域と非画像領域が存在する場合には、その用紙幅方向における画像領域と非画像領域に対応して加熱手段５６各加熱領域を制御しても良い。つまり、定着ベルト３８の用紙幅方向における非画像領域に対応する部位の温度が、画像領域に対応する部位の温度よりも低くなるように、加熱手段５６を制御しても良い。

さらに、用紙搬送方向における画像領域と非画像領域に対応する加熱制御と、用紙搬送方向と直交する方向における画像領域と非画像領域に対応する加熱制御とを組み合わせて、制御することも可能である。

また、連続通紙時における紙間に対応する部分の定着ベルト温度が、用紙に対応する部分の定着ベルト温度よりも低くなるように、加熱手段５６を制御してもよい。この加熱制御は、上記の画像領域と非画像領域に対応する加熱制御と組み合わせることが可能である。

図１０は、図２の構成における、加熱ニップ部と定着ニップ部を拡大して示す図である。定着ベルト３８の厚さをｄとし、定着ベルト３８の温度伝導率をｘとする。なお、ｘ＝ベルトの熱伝導率λ／（ベルトの密度ρ／ベルトの比熱Ｃｐ）である。そして、定着ベルト３８が加熱ニップＫＮ出口から定着ニップＴＮ入口まで到達する（移動する）時間をｔとする。本発明に係る定着装置では、上記の時間ｔが次の数式を満たすように構成することを特徴としている。
ｔ＞ｄ＾２／ｘ

この式を満たすように、定着ベルト（フィルムでも良い）３８の厚さ及び材質、加熱ニップＫＮ出口から定着ニップＴＮ入口までの距離（ベルト長さ）、定着ベルト３８の速度を設定することにより、定着部材としてベルトあるいはフィルムを用いた定着装置構成において、画像情報に応じた加熱制御を行う場合であっても、定着ベルトの内側（ループ内）に配置した加熱手段によって加熱されたベルト部位が定着ニップ入口に到達するまでに、ベルト内側から加熱された熱がベルト表面に達していることになり、定着ニップ部において未定着トナーを確実に定着させることができる。

またそれにより、画像情報に応じた加熱制御を行う場合であっても任意のタイミングで充分に定着部材を加熱することが可能となり、省エネルギーと確実な定着を両立させることができる。

加熱手段としては、基板上に抵抗発熱体を有する構成とし、その基板がジルコニアよりも低熱伝導率のガラス又はセラミックからできていることにより、熱応答が速い定着装置を実現することができる。

抵抗発熱体は、定着部材回転方向の長さが３〜５ｍｍであることにより、加熱手段表面を局所的に発熱させることが可能となり、より応答性の速い定着装置を実現することができる。

また、加熱手段は記録材搬送方向と直交する方向に複数分割された加熱領域を有しており、各加熱領域が独立して加熱制御可能に設けられていることで、定着ベルトの必要な部分だけを加熱することが可能となり、省エネルギー化を図ることができる。

また、画像情報に基づき、定着部材の非画像領域に対応する部位の温度が、画像領域に対応する部位の温度よりも低くなるように、加熱手段を制御することで、記録材上に画像がない部分への加熱を抑制でき、省エネルギー化を図ることができる。

記録材搬送方向における非画像領域に対応する部位の定着部材温度を抑えることで、電力消費を抑制できる。
記録材搬送方向における非画像領域と、記録材搬送方向と直交する方向における非画像領域の両方に対して定着部材温度を抑えることで、より電力消費を抑制できる。

また、連続通紙時の紙間で定着部材温度を抑えることで、さらに電力消費を抑制できる。
以上、本発明を図示例に基づき説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、定着装置各部の構成は、本発明の範囲内で適宜変更可能である。加熱手段の材質や、定着ベルトの大きさなども一例である。

また、画像形成装置としてはプリンタに限らず、ファクシミリや複写機、あるいは複数の機能を備える複合機であっても良い。

８ 感光体ドラム（像担持体）
３０ 定着装置
３１ 加圧ローラ
３２ 押圧ローラ
３４，３６ サーミスタ
３８ 定着ベルト
４０ 電源
４２ 加熱制御手段
５６ 加熱手段
５６ｂ 抵抗発熱体
５６ｃ 配線
６０ 押圧部材
６１ 支持部材
１ｃｈ〜３ｃｈ 個別配線
ＣＨ１〜ＣＨ３ 加熱領域
ｃｏｍ 共通配線
ＫＮ 加熱ニップ
Ｐａ 用紙（記録材）
ＳＷ スイッチ部材
ＴＮ 定着ニップ

特開平６−９５５４０号公報 特開２００５−１８１９４６号公報 特開２００１−３４３８６０号公報

Claims (9)

1. ループ状に形成されて回転可能な定着部材と、該定着部材に圧接して該定着部材との間に定着ニップを形成する加圧部材と、前記定着部材のループ内で前記定着部材に接触して配置され前記定着部材を加熱する加熱手段とを有し、未定着画像を担持する記録材を前記定着ニップに通して定着を行う定着装置において、
   前記定着部材を挟んで前記加熱手段に対向配置され、前記定着部材との間に加熱ニップを形成する加熱押圧部材が設けられ、
   前記加熱ニップが前記定着ニップの定着部材回転方向上流側に位置しており、
   前記定着部材が、前記加熱ニップ出口から前記定着ニップ入口まで移動する時間ｔが次式で表されることを特徴とする定着装置。
   

   
2. 前記加熱手段は基板上に設けられた抵抗発熱体を有し、
   前記基板が、ジルコニアよりも低熱伝導率のガラス又はセラミックからできていることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記抵抗発熱体は、前記定着部材回転方向の長さが３〜５ｍｍであることを特徴とする請求項２に記載の定着装置。
4. 前記加熱手段は記録材搬送方向と直交する方向に複数分割された加熱領域を有しており、前記各加熱領域が独立して加熱制御可能に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の定着装置。
5. 画像情報に基づき、前記定着部材の非画像領域に対応する部位の温度が、画像領域に対応する部位の温度よりも低くなるように、前記加熱手段を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の定着装置。
6. 前記画像領域および前記非画像領域が、記録材搬送方向における領域であることを特徴とする請求項５に記載の定着装置。
7. 前記画像領域および前記非画像領域が、記録材搬送方向における領域および記録材搬送方向と直交する方向における領域であることを特徴とする請求項５に記載の定着装置。
8. 連続通紙時における紙間に対応する部分の定着部材温度が、記録材に対応する部分の定着部材温度よりも低くなるように、前記加熱手段を制御することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の定着装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の定着装置を備えることを特徴とする画像形成装置。
   

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