JP2020012873A - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長手方向に複数の発熱部を有する面状ヒーターに発熱部毎に安全装置を配置しなくても、いずれかの発熱部で異常昇温が発生した場合に給電を遮断できるようにすることを目的とする。
【解決手段】筒状の回転可能な定着ベルトと、複数の発熱部４１乃至４３を有する面状ヒーター２３と、互いに隣接する２つの発熱部に跨るように配置され、温度が閾値に達した場合に複数の発熱部４１乃至４３への給電を遮断する安全装置７１、７２と、面状ヒーター２３を定着ベルトの内周面に接触するように保持するヒーター保持部材と、面状ヒーター２３との間に定着ベルトを挟持し、定着ベルトとの間に用紙が挟持搬送される加圧領域を形成する加圧ローラーと、を備える定着装置。
【選択図】図６

Description

本発明は、用紙にトナー像を定着させる定着装置及びこの定着装置を備えた画像形成装置に関する。

定着装置の定着ベルトを加熱する方式の一つとして、面状ヒーター方式が知られている。面状ヒーターは、用紙の搬送方向と直交する方向を長手方向とする発熱部を有し、筒状の定着ベルトが、面状ヒーターと加圧ローラーとで挟持される。加圧ローラーが回転駆動されると、定着ベルトが従動回転し、トナーが転写された用紙が、定着ベルトと加圧ローラーとに挟持されて搬送され、トナーが用紙に定着される。

上記の発熱部は、搬送方向と直交する方向のサイズが最大の用紙に対応する長さを有するが、それよりも小さなサイズの用紙を使用する場合には、用紙が通過しない長手方向の両端部における熱の消費量が少なくなる。そこで、発熱部を長手方向に複数に分割し、用紙のサイズに応じた発熱部を発熱させる構成が発案された。ところが、異常昇温時に発熱部への給電を遮断する安全装置（例えば、サーモスタット）を設ける場合、発熱部毎に安全装置を設けると、コストが高くなる。また、配線が多くなるため、コンパクトな設計が困難となる。

そこで、従来、安全装置の数を少なくすることが検討されている。例えば、特許文献１には、長手方向中央の加熱領域にのみサーモスタットが設けられ、中央の加熱領域と電源を結ぶ配線間に第１のトライアックを有し、他の加熱領域と電源を結ぶ配線間に第１のトライアックと第２のトライアックを有し、他の加熱領域は中央の加熱領域が通電されているときのみ通電される。

特開２０１５−１２９７８９号公報

しかし、特許文献１に記載された構成では、長手方向中央の加熱領域にのみサーモスタットが設けられるため、他の加熱領域で異常昇温が発生した場合に給電を遮断することができない。

本発明は、上記事情を考慮し、長手方向に複数の発熱部を有する面状ヒーターに発熱部毎に安全装置を配置しなくても、いずれかの発熱部で異常昇温が発生した場合に給電を遮断することのできる定着装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る定着装置は、筒状の回転可能な定着ベルトと、複数の発熱部を有する面状ヒーターと、互いに隣接する２つの前記発熱部に跨るように配置され、温度が閾値に達した場合に複数の前記発熱部への給電を遮断する安全装置と、前記面状ヒーターを前記定着ベルトの内周面に接触するように保持するヒーター保持部材と、前記面状ヒーターとの間に前記定着ベルトを挟持し、前記定着ベルトとの間に用紙が挟持搬送される加圧領域を形成する加圧ローラーと、備えることを特徴とする。

本発明に係る定着装置において、互いに隣接する２つの前記発熱部と前記安全装置との間に、前記発熱部から前記安全装置への熱伝導を促進するシート状の熱伝導部材を備えていてもよい。

本発明に係る定着装置において、前記熱伝導部材は、前記安全装置の前記発熱部に対向する面の面積よりも大きい面積を有していてもよい。

また、本発明に係る画像形成装置は、前記用紙にトナー像を形成する画像形成部と、前記トナー像を前記用紙に定着する上記のいずれかに記載の定着装置と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、長手方向に複数の発熱部を有する面状ヒーターに発熱部毎に安全装置を配置しなくても、いずれかの発熱部で異常昇温が発生した場合に給電を遮断することができる。

本発明の一実施形態に係るプリンターの内部構成を模式的に示す正面図である。 本発明の一実施形態に係る定着装置の断面図である。 本発明の一実施形態に係る面状ヒーターの下面図である。 本発明の一実施形態に係る面状ヒーターの上面図である。 本発明の一実施形態に係る面状ヒーターの断面図である。 本発明の一実施形態に係る面状ヒーターの回路図である。 本発明の一実施形態に係る試験結果を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の画像形成装置及び定着装置について説明する。

まず、図１を参照して、画像形成装置としてのプリンター１の全体の構成について説明する。図１はプリンター１の内部構成を模式的に示す正面図である。以下、図１における紙面手前側をプリンター１の正面側（前側）とし、左右の向きはプリンター１を正面から見た方向を基準として説明する。各図において、Ｕ、Ｌｏ、Ｌ、Ｒ、Ｆｒ、Ｒｒは、それぞれ上、下、左、右、前、後を示す。

プリンター１の装置本体２には、用紙Ｓが収容される給紙カセット３と、給紙カセット３から用紙Ｓを送り出す給紙装置５と、用紙Ｓにトナー像を形成する画像形成部７と、トナー像を用紙Ｓに定着する定着装置９と、用紙Ｓを排紙する排紙装置１１と、排紙された用紙Ｓが受け止められる排紙トレイ１３と、が備えられている。さらに、装置本体２には、給紙装置５から、画像形成部７、定着装置９を経て排紙装置１１に向かう用紙Ｓの搬送経路１５が形成されている。

給紙装置５によって給紙カセット３から給紙された用紙Ｓは、搬送経路１５に沿って画像形成部７に搬送され、用紙Ｓにトナー像が形成される。用紙Ｓは搬送経路１５に沿って定着装置９に送られ、トナー像が用紙Ｓに定着される。トナー像が定着された用紙Ｓは、排紙装置１１から排紙トレイ１３に排出される。

次に、図２を参照して、定着装置９の構成について説明する。図２は定着装置９の断面図である。定着装置９は、筒状の回転可能な定着ベルト２１と、複数の発熱部４１乃至４３を有する面状ヒーター２３と、互いに隣接する２つの発熱部に跨るように配置され、温度が閾値に達した場合に発熱部４１乃至４３への給電を遮断するサーモスタット７１、７２（安全装置の一例）と、面状ヒーター２３を定着ベルト２１の内周面に接触するように保持するヒーター保持部材２５と、面状ヒーター２３との間に定着ベルト２１を挟持し、定着ベルト２１を従動回転させる加圧ローラー２７と、を備える。以下の説明において、軸方向Ｘとは、加圧ローラー２７の軸方向（前後方向）を指す。本実施形態では、定着ベルト２１の下側に加圧ローラー２７が位置する姿勢で定着装置９が配置された例を示すが、定着装置９はいかなる姿勢で配置されてもよい。

定着ベルト２１は、軸方向Ｘを長手方向とする筒状のベルトであり、所定の内径を有し、長手方向の長さは用紙Ｓの幅よりも長い。定着ベルト２１は、可撓性を有する材料で形成され、基材層と、基材層の外周面に設けられる弾性層と、弾性層の外周面に設けられる離型層と、を有する。基材層は、ステンレス鋼やニッケル合金等の金属で形成される。弾性層は、シリコンゴム等で形成される。離型層は、ＰＦＡチューブ等で形成される。基材層の内周面に摺動層が形成される場合もある。摺動層は、ポリイミドアミドやＰＴＦＥ等で形成される。

定着ベルト２１の中空部には、軸方向Ｘを長手方向とする押圧部材２４が貫通しており、押圧部材２４の両端は定着装置９の筐体（図示省略）に固定されている。押圧部材２４は、ステンレス鋼やアルミニウム合金等の金属で形成されている。定着ベルト２１は、押圧部材２４に支持された円弧状のベルトガイド（図示省略）に支持され、ベルトガイドに沿って回転可能である。

次に、図３乃至６を参照して、面状ヒーター２３の構成について説明する。図３は、面状ヒーター２３の下面図である。図４は、面状ヒーター２３の上面図である。図５は、図３、４のＩ−Ｉ断面図である。図６は、面状ヒーター２３の回路図である。

面状ヒーター２３は、軸方向Ｘを長手方向とする概ね矩形の板状に形成されている。面状ヒーター２３は、基材３０と、断熱層３１と、コート層３２と、を有する。なお、図示の都合上、図３ではコート層３２が省略されており、図４では基材３０が省略されている。

基材３０は、例えば、セラミックス等の電気絶縁性を有する材料により、軸方向Ｘを長手方向とする概ね矩形の板状に形成されている。

断熱層３１は、例えば、セラミックス、ガラス等の、電気絶縁性を有すると共に熱伝導率の低い材料により、基材３０の下面に積層されている。断熱層３１は、発熱部４１乃至４３が発生した熱が基材３０側に伝達することを抑制する。

発熱部４１乃至４３は、給電線６１乃至６４よりも抵抗値の高い金属等の導電性を有する材料により、断熱層３１の下面に形成されている。発熱部４１乃至４３は、軸方向Ｘに一列に配置されている。発熱部４１乃至４３の各々は、軸方向Ｘに一列に配置された複数の抵抗発熱体４０を有する。

発熱部４１は、小サイズ（例えばＪＩＳ Ａ５サイズ）の用紙Ｓの長辺の長さに対応する範囲に配置されている。発熱部４２、４３は、大サイズ（例えばＪＩＳ Ａ４サイズ）の用紙Ｓの長辺の長さに対応する範囲のうち、発熱部４１が設けられていない範囲に配置されている。発熱部４２、４３は、それぞれ、発熱部４１よりも前側、後側に配置されている。

給電線６１乃至６４は、抵抗発熱体４０よりも抵抗値の低い金属等の導電性を有する材料により、断熱層３１の下面に形成されている。給電線６１は、発熱部４１に含まれる複数の抵抗発熱体４０の右端部（搬送方向Ｙ上流側の端部）に接続されている。給電線６２は、発熱部４２に含まれる複数の抵抗発熱体４０の右端部に接続されている。給電線６３は、発熱部４３に含まれる複数の抵抗発熱体４０の右端部に接続されている。一方、給電線６４は、発熱部４１乃至４３に含まれる複数の抵抗発熱体４０の左端部（搬送方向Ｙ下流側の端部）に接続されている。電極５１乃至５４は、断熱層３１の下面における発熱部４２よりも前側の部分に、前から電極部５３、５１、５２、５４の順に配置されている。給電線６１、６２、６３は、それぞれ電極５１、５２、５３に接続されている。なお、弾性層３１の下面のうち、発熱部４１乃至４３、給電線６１乃至６４及び電極部５１乃至５４が形成されない部分には、発熱部４１乃至４３、給電線６１乃至６４及び電極部５１乃至５４とともに平滑な面をなすように断熱層３１が積層されている。

コート層は、断熱層３１の長手方向における発熱部４１乃至４３が形成されている範囲を被覆している。コート層は、例えば、セラミックス等の電気絶縁性を有すると共に定着ベルト２１に対する滑り摩擦力の小さな材料で形成されている。コート層の下面が、定着ベルト２１の内面に接触する。

図４及び５に示されるように、サーモスタット７１は、発熱部４１の上面と発熱部４２の上面とに跨るように配置されている。サーモスタット７２は、発熱部４１の上面と発熱部４３の上面とに跨るように配置されている。サーモスタット７１、７２は、例えば、バイメタルを用いたスイッチを有し、外部からの熱伝導によって昇温したバイメタルの温度が閾値に達した場合に、バイメタルが変形して給電を遮断する。サーモスタット７１、７２は、給電線６５によって直列に接続されている。

図３及び４に示されるように、断熱層３１の後端には貫通孔３４が形成されており、断熱層３１の電極部５４の近傍には貫通孔３５が形成されている。給電線６４は、貫通孔３４を介して、給電線６５の一端に接続されており、給電線６５の他端は、貫通孔３５を介して電極５４に接続されている。

熱伝導部材７３は、サーモスタット７１と発熱部４１、４２との間に配置されている。熱伝導部材７４は、サーモスタット７２と発熱部４１、４３との間に配置されている。熱伝導部材７３、７４は、サーモスタット７１、７２の発熱部４１乃至４３に対向する面の面積よりも大きい面積を有する。熱伝導部材７３、７４は、例えば、銅、アルミニウム、グラファイト等の熱伝導性の高いシート状の部材であり、発熱部４１乃至４３から安全装置７１、７２への熱伝導を促進する。サーモスタット７１、７２と熱伝導部材８１、８２との間には、熱伝導を促進するためのフッ素グリースが塗布されている。

図６に示されるように、電極５１にはトライアック８１が接続され、電極５２、５３にはトライアック８２が接続されている。トライアック８１及び８２は、リレー８３を介して交流電源８５の一方の端子と接続されている。電極５４は、リレー８４を介して交流電源８５の他方の端子と接続されている。

トライアック８１、８２は、用紙のサイズに応じて、交流電源から発熱部４１乃至４３への給電を制御する。小サイズの用紙の場合には、トライアック８１が発熱部４１に給電し、発熱部４１が発熱する。大サイズの用紙の場合には、トライアック８１が発熱部４１に給電するとともに、トライアック８２が発熱部４２、４３に給電し、発熱部４１乃至４３が発熱する。

図２に示されるように、ヒーター保持部材２５は、面状ヒーター２３を定着ベルト２１の内周面に接触するように保持する。ヒーター保持部材２５は、定着ベルト２１の軸方向Ｘの幅と同等の長さを有する部材である。ヒーター保持部材２５は、例えば、液晶ポリマー等の耐熱性の樹脂で形成されている。ヒーター保持部材２５は、押圧部材２４によって支持される。ヒーター保持部材２５の下部には、軸方向Ｘを長手方向とする凹部２５１が形成されている。面状ヒーター２３は、コート層３２が下側に位置する姿勢で、凹部２５１に嵌め込まれている。ヒーター保持部材２５は、定着ベルト２１の曲率よりもやや大きい曲率の湾曲部２５３を有し、湾曲部２５３と面状ヒーター２３とにより、定着ベルト２１の内周面に沿う滑らかな面が形成される。

加圧ローラー２７は、芯金と、芯金の外周面に設けられる弾性層と、弾性層の外周面に設けられる離型層と、を有している。弾性層は、シリコンゴム等で形成される。離型層は、ＰＦＡチューブ等で形成される。加圧ローラー２７は、面状ヒーター２３との間に定着ベルト２１を挟持し、定着ベルト２１との間に加圧領域Ｎを形成する。加圧ローラー２７は、モーター２８により駆動され、定着ベルト２１を従動回転させ、用紙Ｓを挟持搬送する。

上記構成を有する定着装置９の定着動作を説明する。加圧ローラー２７が駆動されて所定の回転方向Ｚに回転すると、定着ベルト２１が加圧ローラー２７の回転方向と反対の回転方向Ｙに従動回転し、定着ベルト２１の内周面が面状ヒーター２３に対して摺動する。面状ヒーター２３の発熱部４１乃至４３に電力が供給されると、発熱部４１乃至４３が発熱して定着ベルト２１が加熱される。定着ベルト２１が所定の温度に達した後、トナーが転写された用紙Ｓが加圧領域Ｎに搬送される。加圧領域Ｎにおいて、用紙Ｓは定着ベルト２１と加圧ローラー２７とに挟持されて搬送される。このとき、定着ベルト２１によってトナーが加熱及び加圧され、トナーが用紙Ｓに定着される。トナーが定着された用紙Ｓは、定着ベルト２１から分離されて、搬送経路１５に沿って搬送される。

ここで、トライアック８１、８２のいずれかが故障して給電の制御が不能となった場合、故障したトライアックに接続されている発熱部が異常昇温する。異常昇温した発熱部からの熱伝導によって昇温したサーモスタットの温度が閾値に達した場合、そのサーモスタットが発熱部４１乃至４３への給電を遮断する。例えば、トライアック８１が故障した場合、発熱部４１が異常昇温し、サーモスタット７１又は７２の温度が閾値に達した場合、閾値に達したサーモスタットが発熱部４１乃至４３への給電を遮断する。一方、トライアック８２が故障した場合、発熱部４２、４３が異常昇温し、サーモスタット７１又は７２の温度が閾値に達した場合、閾値に達したサーモスタットが発熱部４１乃至４３への給電を遮断する。

次に、図７を参照して、本実施形態の効果を説明する。図７は、面状ヒーター２３の昇温試験の結果を示す図である。横軸のヒーター温度は、面状ヒーター２３の温度であり、縦軸のサーモスタット温度は、サーモスタット７１の温度である。〇のケースは、両側故障時、すなわち、トライアック８１、８２の両方の故障により発熱部４１、４２が異常昇温した場合を模擬したケースである。発熱部４１、４２への給電を段階的に増加させながら、発熱部４１、４２の温度と、サーモスタット７１の温度を測定し、発熱部４１、４２の温度が２００℃、２５０℃、３００℃、３５０℃のときのサーモスタット７１の温度をプロットした。ただし、このケースでは、熱伝導部材７３は配置されていない。▲のケースは、片側故障時、すなわち、トライアック８１の故障により発熱部４１が異常昇温した場合を模擬したケースである。このケースも、熱伝導部材７３が配置されていない。●のケースは、熱伝導部材７３が配置されている場合の片側故障時を模擬したケースである。

まず、両側故障時（熱伝導部材なし）と片側故障時（熱伝導部材なし）とを比較すると、両側故障時のサーモスタット温度が比較的ヒーター温度と近い値であるのに対して、片側故障時のサーモスタット温度はヒーター温度よりも２０乃至２５℃程度低くなっている。これは、両側故障時のケースでは発熱部４１、４２の両方を昇温させたのに対し、片側故障時のケースでは発熱部４１だけを昇温させたため、片側故障時のケースは両側故障時のケースと比べてサーモスタット７１に伝達される熱量が少ないからである。両側故障時のケースのサーモスタット温度は、発熱部毎にサーモスタットを配置した場合の故障時のサーモスタット温度に近い値であると考えられる。従って、本実施形態では、発熱部毎にサーモスタットを配置した場合と比べてサーモスタット温度が若干低くなるが、実用上は十分な精度を有すると考えられる。

一方、片側故障時（熱伝導部材あり）のサーモスタット温度とヒーター温度との差は１０℃程度に留まっており、熱伝導部材なしのケースと比べてサーモスタット温度とヒーター温度との差が小さい。この結果は、熱伝導部材７３により発熱部４１、４２からサーモスタット７１への熱伝導が促進されるためであると考えられる。

以上、説明したとおり、本実施形態によれば、長手方向に複数の発熱部を有する面状ヒーターに発熱部毎にサーモスタットを配置しなくても、いずれかの発熱部で異常昇温が発生した場合に給電を遮断することができる。

また、本実施形態によれば、熱伝導部材が発熱部からサーモスタットへの熱伝導を促進するから、サーモスタットの温度の精度を向上させることができる。また、本実施形態によれば、熱伝導部材がサーモスタットの発熱部に対向する面の面積と等しい面積を有する場合と比べて、発熱部からより多くの熱がサーモスタットに伝達されるから、サーモスタットの温度の精度をさらに向上させることができる。

＜変形例＞
バイメタルを用いたサーモスタットに代わる安全装置として、形状記憶合金を用いたサーモスタットが用いられてもよい。また、サーモスタットに代わる安全装置として、ヒューズが用いられてもよい。

上記実施形態では、面状ヒーターが３つの発熱部を有する例を示したが、面状ヒーターが２つの発熱部又は４つ以上の発熱部を有する場合にも、本発明は適用され得る。

上記した本発明の実施形態の説明は、本発明に係る定着装置及び画像形成装置における好適な実施の形態を説明しているため、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。すなわち、上記した本発明の実施の形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、かつ、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能であり、上記した本発明の実施の形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

１ プリンター（画像形成装置）
７ 画像形成部
９ 定着装置
２１ 定着ベルト
２３ 面状ヒーター
２５ ヒーター保持部材
２７ 加圧ローラー
４１ 発熱部
４２ 発熱部
４３ 発熱部
７１ サーモスタット（安全装置）
７２ サーモスタット（安全装置）
７３ 熱伝導部材
７４ 熱伝導部材

Claims (4)

1. 筒状の回転可能な定着ベルトと、
   複数の発熱部を有する面状ヒーターと、
   互いに隣接する２つの前記発熱部に跨るように配置され、温度が閾値に達した場合に複数の前記発熱部への給電を遮断する安全装置と、
   前記面状ヒーターを前記定着ベルトの内周面に接触するように保持するヒーター保持部材と、
   前記面状ヒーターとの間に前記定着ベルトを挟持し、前記定着ベルトとの間に用紙が挟持搬送される加圧領域を形成する加圧ローラーと、を備えることを特徴とする定着装置。
2. 互いに隣接する２つの前記発熱部と前記安全装置との間に、前記発熱部から前記安全装置への熱伝導を促進するシート状の熱伝導部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記熱伝導部材は、前記安全装置の前記発熱部に対向する面の面積よりも大きい面積を有することを特徴とする請求項２に記載の定着装置。
4. 前記用紙にトナー像を形成する画像形成部と、
   前記トナー像を前記用紙に定着する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の定着装置と、を備えることを特徴とする画像形成装置。

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