JP2010101966A - 定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力を低減することが可能な定着装置を提供する。
【解決手段】定着装置は、加熱ローラ１５０と加圧ローラ１２０と圧接する圧接領域であるニップ領域１１０の金属基体の内周面に近接して対向して円筒状ヒータランプ１３０を設けて、金属基体の内周面とともに円筒状ヒータランプ１３０を覆うように金属基体内に断熱部材１９０を設けることにより、加熱ローラ１５０の金属基体の内側が断熱部材１９０で熱遮断された状態で円筒状ヒータランプ１３０により圧接領域１１０を加熱することにより、効率的に圧接領域１１０を形成する加熱ローラ１５０の金属基体を加熱させることが可能となり、消費電力を低減することが可能となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、複写機・プリンタ等の画像形成装置において、未定着画像を記録用紙に定着させる定着装置に関する。

従来より、画像形成装置用の定着装置として種々の定着方式が提案されているが、一般的に、定着装置によってトナーを用紙に定着させる際、定着装置内の加熱ローラを熱源で加熱し、加熱ローラの熱エネルギと加圧ローラからの圧力エネルギを用いて定着動作を実行していた。

このとき、加熱ローラ内にハロゲンヒータ、セラミックヒータ、誘導加熱装置等を配置して加熱する方式と、ローラ表面ないしそれに近い位置にニクロムヒータを配置して加熱する方式と、誘導加熱装置、ハロゲンヒータ等をローラ外側に配置して加熱する方式等がある。

たとえば、特開平６−１３０８４９号公報（特許文献１）および特開２００１−２８２０２５号公報（特許文献２）においては、加熱ローラ内に発熱体を設けて加熱ローラを加熱する方式について開示されている。

また、特開平７−２９５４１６号公報（特許文献３）においては、加熱ローラと加圧ローラとの圧接領域であるニップ領域よりも少し手前の領域に外部にヒータを設けて加熱ローラを部分的に加熱する構成が開示されている。
特開平６−１３０８４９号公報 特開２００１−２８２０２５号公報 特開平７−２９５４１６号公報

一方、定着装置において、加熱ローラと加圧ローラとの圧接領域であるニップ領域は、用紙にトナーを定着させるためにある程度のニップ幅が必要である。仮に、小径ローラでニップ幅を確保すると加熱ローラと加圧ローラとの間で搬送される用紙の用紙カールが大きくなるという問題があった。

そのため、定着性と用紙カールを考慮したローラ径が加熱ローラおよび加圧ローラで必要となり、ある程度の大きさのローラが必要となる。

したがって、特許文献１および２に開示される構成、すなわち、単に加熱ローラの内部に発熱体をおいて加熱ローラ全体を加熱する構成においては、加熱ローラを小径ローラとすることができないため、熱放散が大きくなってしまい低消費電力化を図ることはできない。

また、特許文献３に開示される構成、すなわち、ニップ領域の近くでヒータにより外側から加熱ローラを部分的に加熱する構成においては、加熱したローラは回転動作により紙の加熱部つまりニップ領域に到達するまでの間に熱を放散してしまうことになり、熱放散により奪われる熱量も考慮して加熱する必要があるため低消費電力化を図ることができないという問題があった。

本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであって、消費電力を低減することが可能な定着装置を提供することを目的とする。

本発明に係る定着装置は、加圧ローラと、加圧ローラと協働して未定着トナー像を記録紙に定着する加熱ローラとを備える。加熱ローラは、円筒状中空の金属基体と、金属基体の前記加圧ローラと圧接する圧接領域の内周面に近接して対向して設けられた円筒状ヒータランプと、金属基体の内周面とともに前記円筒状ヒータランプを覆うように前記金属基体内に設けられた断熱部材とを含む。

好ましくは、断熱部材は、前記金属基体の内周面とともに前記円筒状ヒータランプを覆うような円筒形状の窪みを有する。円筒状ヒータランプに対向して、前記円筒形状の窪み表面に熱反射材料を塗布する。

好ましくは、断熱部材は、前記金属基体の内周面とともに前記円筒状ヒータランプを覆うような円筒形状の窪みを有する。加熱ローラは、前記円筒状ヒータランプに対向して、前記円筒形状の窪み表面と前記円筒状ヒータランプとの間に設けられた熱反射部材をさらに有する。

特に、円筒状ヒータランプは、前記円筒形状の窪みに密着して配置される。
特に、円筒形状の窪みの径は、円筒状ヒータランプの径と同一に設定される。

好ましくは、加熱ローラを覆うように設けられた断熱カバーをさらに備える。

本発明に係る定着装置は、金属基体の加圧ローラと圧接する圧接領域の内周面に近接して対向して円筒状ヒータランプを設けて、金属基体の内周面とともに前記円筒状ヒータランプを覆うように金属基体内に断熱部材を設けることにより、加熱ローラの金属基体の内側が断熱部材で熱遮断された状態で円筒状ヒータランプにより圧接領域を加熱することにより、効率的に圧接領域を形成する加熱ローラの金属基体を加熱させることが可能となり、消費電力を低減することが可能となる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。以下の説明において同一の部品および構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一であるものとする。

本実施の形態においては、本発明にかかる画像形成装置をタンデム方式のデジタルカラー複写機（以下、複写機という）で適用する場合について説明する。

しかしながら、本発明にかかる画像形成装置は複写機に限定されず、駆動源としてＤＣブラシレスモータ（以下、単にモータと称する。）が用いられる画像形成装置であれば、プリンタやファクシミリ装置やそれらの複合機であるＭＦＰ（Multi Function Peripheral）などであってもよい。また、印刷方式もタンデム方式に限定されるものではなく、さらにデジタル方式に限定されるものでもない。また、カラー機でなくモノクロ機であってもよい。

カラータンデム方式の画像形成装置は、各々現像器を含んだ４色の現像部が中間転写体である中間転写ベルトに沿って列設されて構成され、それぞれに形成された各色のトナー画像を上記中間転写ベルトに転写し（一次転写）、各色トナーの重ね合わせにより多色画像を形成する。さらに、中間転写ベルト上で重ね合わされた画像を印刷媒体である用紙上に転写し（二次転写）、定着工程を経て出力する。

図１は、本発明にかかる画像形成装置が適用される、本発明の実施の形態に従う複写機１のハードウェア構成の概略を示す模式的断面図である。

複写機１は、タンデム方式のデジタルカラー複写機であって、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、およびブラック（Ｋ）の４色のトナーを順次重ね合わせることによってカラー画像を形成する。

図１を参照して、本発明の実施の形態に従う複写機１は、画像読取部１０と、用紙搬送部２０と、画像形成部３０と、用紙格納部４０とを含む。

画像読取部１０は、原稿をセットするための戴荷台３と、原稿台ガラス１１と、戴荷台３にセットされた原稿を原稿台ガラス１１に自動的に１枚ずつ搬送する自動原稿搬送部２と、読取られた原稿を排出するための排出台４とを含む。さらに、原稿読取部１０は、図示しないスキャナを含む。スキャナは、スキャンモータによって原稿台ガラス１１と平行移動する。スキャナには、原稿を照射する露光ランプ、原稿からの反射光の向きを変える反射ミラー、反射ミラーからの光路を変えるミラー、反射光を集光するレンズ、および受光した反射光に応じて電気信号を発生する３列（Ｒ，Ｇ，Ｂ）のＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの光電変換素子が含まれる。

自動原稿搬送部２によって搬送された原稿は原稿台ガラス１１上にセットされ、スキャナが原稿台ガラス１１と平行に移動するとき露光走査される。原稿からの反射光は光電変換素子によって電気信号に変換され、画像形成部３０に入力される。

画像形成部３０は、複数のローラ３２，３３，３４により弛まないように懸架され、これらのローラが図１中で反時計回り（図１中の矢印Ａ方向）に回転することで、所定速度で同方向に回転する無端ベルトである中間転写ベルト３１と、中間転写ベルト３１に沿って所定間隔で配置されるイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、およびブラック（Ｋ）各色トナーに対応する現像部２１Ｙ，２１Ｍ，２１Ｃ，２１Ｋ（これらを代表させて現像部２１とする）と、各現像部２１に含まれる現像器と、感光体と中間転写ベルト３１を介して対をなす転写ローラ２５Ｙ，２５Ｍ，２５Ｃ，２５Ｋ（これらを代表させて転写ローラ２５とする）と、中間転写ベルト３１に転写されたトナー像が用紙に転写された後に定着させる定着器３６と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などを含むコントローラ１００と、プログラムが格納されたメモリ１０１とを含む。

用紙格納部４０は、印刷媒体である用紙Ｓを収納する給紙カセット４１を含み、用紙搬送部２０は、給紙カセット４１から用紙Ｓを搬送するためのローラ４２，４３，３５，３７、および印刷された用紙を排出する排紙トレイ３８を含む。

コントローラ１００は、図示しない操作パネル等から入力される指示信号に基づいてメモリ１０１からプログラムを読出して実行し、上記各部を制御する。また、コントローラ１００は内部にタイマなどの計時手段を備えて、所定時間が計時されたときにプログラムを実行してもよい。なお、コントローラ１００は画像形成部３０以外の画像読取部１０や用紙搬送部２０などに備えられてもよい。

コントローラ１００は、メモリ１０１に格納されたプログラムを実行することで、画像読取部１０や外部装置などから入力された画像信号に対して所定の画像処理を施し、イエロー、マゼンタ、シアン、およびブラックの各色に色変換したデジタル信号を作成する。コントローラ１００で作成された、上記画像を形成するための、シアン用の画像色データ、マゼンタ用の画像色データ、イエロー用の画像色データ、およびブラック用の画像色データは、各色に応じてコントローラ１００から現像部２１の露光器に出力される。

露光器が、コントローラ１００から入力された画像データに基づいて、感光体にレーザビームを出力することで、均一に帯電された感光体の表面が画像データに応じて露光され、静電潜像が形成される。現像ローラには現像バイアス電圧が印加されて、感光体の潜像電位との間に電位差が発生する。その状態において電荷を帯びたトナーが供給されることによって、感光体の表面にトナー像が形成される。感光体の表面に形成されたトナー像は、定電圧もしくは定電流の転写ローラ２５によって、像担持体である中間転写ベルト３１に転写される。これを一次転写と言う。

中間転写ベルト３１に一次転写されたトナー像は、ローラ３４によって、給紙カセット４１から搬送された用紙Ｓに転写される。これを二次転写と言う。用紙に二次転写されたトナー像は、定着器３６によって用紙に定着され、電子写真画像として排紙トレイ３８に排紙される。

図２は、本発明の実施の形態に従う定着装置３６の構成を説明する図である。
図２を参照して、定着装置３６は、円筒状中空の金属基体である加熱ローラ１５０と、加圧ローラ１２０と、駆動ギヤ１５８，１５９，１６０とローラ駆動モータ１７０と、固定板金１８２，１８４と、ローラ軸受１５２，１５４と、円筒状の加熱ヒータランプ（以下、単に加熱ヒータとも称する）１３０と、断熱材１９０とを含む。ここでは、定着装置３６の内部の構成について、加熱ローラ１５０および加圧ローラ１２０の上方から見た図が示されている。

駆動ギヤ１５８は、加熱ローラ１５０の外周上に取り付けられ駆動ギヤ１５９と噛み合うように配置されている。また、駆動ギヤ１５９と駆動ギヤ１６０とは互いに噛み合うように配置されている。ローラ駆動モータ１７０の回転に従って駆動ギヤ１６０が回転し、駆動ギヤ１５８，１５９のギヤ連結によって加熱ローラ１５０が回転する構成となっている。

また、ローラ軸受１５２，１５４は、加熱ローラ１５０を両端で保持し、ローラ軸受１５２，１５４で両端が保持された状態を維持しつつ、ギヤ連結によって駆動ギヤ１５８の回転に伴って加熱ローラ１５０が回転する。

断熱材１９０および加熱ヒータ１３０は、円筒状に加熱ローラ１５０の円筒状中空の金属基体内を貫通しつつ、両側に設けられた固定板金１８２，１８４で両端が固定された状態となっている。

したがって、円筒状中空の加熱ローラ１５０が回転する際、断熱材１９０および加熱ヒータ１３０は両側に設けられた固定板金１８２，１８４で固定されているため加熱ローラ１５０のみが回転し、断熱材１９０および加熱ヒータ１３０は回転しない構成となっている。

なお、断熱材としては、一例として、フッ素樹脂、シリコン系樹脂、あるいはガラスファイバ等を用いることが可能である。

加圧ローラ１２０は、加熱ローラ１５０に対して従動回転する。
図３は、図２の加熱ローラ１５０の斜視図である。

図３を参照して、ここで、ローラ軸受１５２は、加熱ローラ１５０である円筒状の中空の金属基体を回転可能な状態に保持している。また、駆動ギヤ１５８が円筒状中空の金属基体である加熱ローラ１５０の外周上に設けられ、図示しない駆動ギヤ１５９，１６０のギヤ連結により回転するように構成されている。

また、加熱ローラ１５０内部には、加熱ヒータ１３０と断熱材１９０とが設けられ、図示しない固定板金１８２，１８４により、両側が固定された状態となっている。

図４は、本発明の実施の形態に従う加熱ローラ１５０および加圧ローラ１２０の断面図である。

図４を参照して、本発明の実施の形態に従う加熱ローラ１５０において、円筒状中空の金属基体の内部に断熱材１９０が設けられ、さらに、加熱ヒータ１３０が加圧ローラ１２０と加熱ローラ１５０との圧接領域であるニップ領域１１０近傍に設けられた構成が示されている。

具体的には、加圧ローラ１２０および加熱ローラ１５０の断面形状の中心点を結ぶニップ領域１１０を通過する中心線Ｌ１上において、円筒状の加熱ヒータ１３０の断面形状の中心点が配置され、かつ、円筒状の加熱ヒータ１３０は、ニップ領域１１０を形成する加熱ローラ１５０の金属基体の内周面に近接して、対向して設けられる。また、加熱ローラ１５０の円筒状中空の金属基体の内周面とともに円筒状の加熱ヒータ１３０を覆うように断熱材１９０は円筒形状の窪みを有している。すなわち、加熱ローラ１５０の円筒状中空の金属基体の内周面と、断熱材１９０と、円筒状の加熱ヒータ１３０とにより、図４の点線で示されるような仮想小径ローラ１１５が形成されるものと考えることが可能である。

加熱ローラ１５０は、断熱材１９０の円筒形状の窪みに配置され、断熱材１９０の円筒形状の窪みの開口寸法は、ニップ領域のニップ幅以上となるように設定されている。これにより均一にニップ領域を加熱することが可能となる。

断熱材１９０と加熱ヒータ１３０は、上述したように円筒状中空の金属基体内において、加熱ローラ１５０の回転の際には回転しない状態を維持する。

また、本例においては、加熱ヒータ１３０は、円筒状中空の金属基体である加熱ローラ１５０および断熱材１９０に接触しない位置に設けられる。

断熱材１９０について、加熱ローラ１５０の金属基体の内周面とともに加熱ヒータ１３０を覆うような円筒形状の窪みを形成することにより、加熱ヒータ１３０と断熱材１９０との間の周囲の空気層が加熱ヒータ１３０によって暖められて、ニップ領域１１０を形成する円筒状中空の金属基体である加熱ローラ１５０を部分的に加熱する。

当該構成、すなわち、加熱ローラ１５０の内側が断熱材１９０で熱遮断された状態で加熱ヒータ１３０によりニップ領域１１０を加熱することにより、効率的にニップ領域１１０を形成する加熱ローラ１５０の金属基体を加熱させることが可能となる。

すなわち、仮想小径ローラ１１５を加熱ローラ１３０により加熱する場合と同様であると考えられるため、定着装置３６における加熱ヒータ１３０の消費電力を低減することが可能となる。

（実施の形態の変形例１）
図５は、本発明の実施の形態の変形例１に従う加熱ローラ１５０＃および加圧ローラ１２０の断面図である。

図５を参照して、本発明の実施の形態の変形例１に従う加熱ローラ１５０＃は、加熱ローラ１５０と比較して、断熱材１９０を断熱材１９０＃に置換した点が異なる。

具体的には、断熱材１９０＃は、円筒状の断熱材１９０を半円周の形状とした場合が示されている。

本例においては、断熱材１９０＃は、加熱ローラ１５０＃内において、断熱材の断熱特性が仮想小径ローラ１１５の熱容量よりも大きくなる体積となるような大きさに設定するものとする。

当該構成により、断熱材１９０＃について、断熱材の体積を小さくして、コストを低減することが可能である。なお、本例においては、円筒状の断熱材１９０を半円周の形状とした場合について説明したが、特に当該形状に限られず、断熱材の断熱特性が仮想小径ローラ１１５の熱容量よりも大きくなる体積であればどんな形状であっても良い。

（実施の形態の変形例２）
図６は、本発明の実施の形態の変形例２に従う加熱ローラ１５０ａおよび加圧ローラ１２０の断面図である。

図６を参照して、本発明の実施の形態の変形例２に従う加熱ローラ１５０ａは、加熱ローラ１５０と比較して、断熱材１９０の円筒形状の窪み表面にアルミ等の熱反射部材１３５を貼付けた場合の構成が示されている。なお、本例においては、アルミのシート等を張付ける場合について説明したが、特にこれに限られず、熱反射特性の優れた部材とすることが可能である。

当該構成により、断熱材１９０と加熱ヒータ１３０との間に熱反射部材１３５が設けられることによって、断熱材１９０の円筒形状の窪み領域における熱遮断特性を向上させるとともに、熱反射部材１３５により、加熱ヒータ１３０の熱がニップ領域に放射されることによって、より効率的にニップ領域に熱が供給されることになる。

したがって、図４の構成よりも、さらに定着装置３６における加熱ヒータ１３０の消費電力を低減することが可能となる。

また、本例においては、熱反射部材１３５を断熱材１９０の円筒形状の窪み表面に張付けた場合について説明したが、特にこれに限られず、円筒形状の窪み表面に反射材料を塗布するようにしても良い。例えば、熱反射特性に優れたアモルファスシリカを基材とした塗料を塗布することが可能である。

（実施の形態の変形例３）
図７は、本発明の実施の形態の変形例３に従う加熱ローラ１５０ｂおよび加圧ローラ１２０の断面図である。

図７を参照して、本発明の実施の形態の変形例３に従う加熱ローラ１５０ｂは、加熱ローラ１５０と比較して、断熱材１９０の代わりに、断熱材１９１を設けた構成が示されている。

断熱材１９１は、断熱性および耐熱性に優れた材質であり、加熱ヒータ１３０の径に応じた窪みを有し、断熱材１９１の窪みの開口寸法は、ニップ幅と同じに設定するものとする。

具体的には、窪みの径は、円筒状の加熱ヒータの径と同一に設定される。
なお、当該断熱材１９１は、加熱ヒータ１３０に直接接触している場合であっても溶融しない耐熱性を有するものとする。

耐熱性に優れた材質とすることにより、加熱ヒータ１３０に密着あるいは近接させて、加熱ヒータ１３０と断熱材１９１との空気層の体積を低減させることにより、より効率的にニップ領域に空気層を介して熱を供給することが可能となる。

したがって、図４の構成よりも、さらに定着装置３６における加熱ヒータ１３０の消費電力を低減することが可能となる。

（実施の形態の変形例４）
図８は、本発明の実施の形態の変形例４に従う定着装置の構成を説明する図である。

図８を参照して、本例においては図１の構成と比較して、加熱ローラ１５０を覆うように円筒状中空の断熱カバー１４０が設けられた構成である。

断熱カバー１４０は、円筒状中空の金属基体の加熱ローラ１５０の外面側を覆うとともに、搬送される用紙と接触しないように開口部が設けられている。

円筒状中空の金属基体の加熱ローラ１５０の熱放散に従って、金属基体から周囲の空気層に熱が放熱されるため、放熱によって失った熱エネルギを加熱ヒータ１３０により補充して、ニップ領域の金属基体の温度を常に一定温度に維持しておく必要があったが、断熱カバー１４０を加熱ローラ１５０を覆うように設けることにより、加熱ローラ１５０と断熱カバー１４０との間の空気層が暖められることにより、金属基体から周囲の空気層に放熱される熱エネルギを低減させることが可能となり、定着装置３６における加熱ヒータ１３０の消費電力を低減することが可能となる。

図９は、本発明の実施の形態に従う定着装置（図４）と、現行（従来）の定着装置の電力とを比較する図である。

図９に示されるように、図４の現像装置の消費電力は現行（従来）構成の消費電力の半分程度以下になることがわかる。

また、積算電力の傾きが変化するタイミングであるウォームアップタイミングについても、現行（従来）構成よりも高速にウォームアップされるため、高速な起動立上げが可能となる。

なお、上記においては円筒状の加熱ヒータについて説明したが、特に円筒状に限られず、ニップ領域を加熱できさえすれば特に形状にはこだわらない。

また、上記の変形例を互いに組み合わせた構成とすることも当然に可能である。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明にかかる画像形成装置が適用される、本発明の実施の形態に従う複写機１のハードウェア構成の概略を示す模式的断面図である。 本発明の実施の形態に従う定着装置３６の構成を説明する図である。 図２の加熱ローラ１５０の斜視図である。 本発明の実施の形態に従う加熱ローラ１５０および加圧ローラ１２０の断面図である。 本発明の実施の形態の変形例１に従う加熱ローラ１５０＃および加圧ローラ１２０の断面図である。 本発明の実施の形態の変形例２に従う加熱ローラ１５０ａおよび加圧ローラ１２０の断面図である。 本発明の実施の形態の変形例３に従う加熱ローラ１５０ｂおよび加圧ローラ１２０の断面図である。 本発明の実施の形態の変形例４に従う定着装置の構成を説明する図である。 本発明の実施の形態に従う定着装置（図４）と、現行（従来）の定着装置の電力とを比較する図である。

符号の説明

１ 複写機、１０ 画像読取部、２０ 用紙搬送部、３０ 画像形成部、３６ 定着装置、４０ 用紙格納部、１２０ 加圧ローラ、１３０ 加熱ヒータ、１３５ 熱反射部材、１５０，１５０＃，１５０ａ，１５０ｂ 加熱ローラ、１５２，１５４ ローラ軸受、１５８〜１６０ 駆動ギヤ、１７０ ローラ駆動モータ、１８２，１８４ 固定板金、１９０，１９０＃，１９１ 断熱材。

Claims (6)

1. 加圧ローラと、
   前記加圧ローラと協働して未定着トナー像を記録紙に定着する加熱ローラとを備え、
   前記加熱ローラは、
   円筒状中空の金属基体と、
   前記金属基体の前記加圧ローラと圧接する圧接領域の内周面に近接して対向して設けられた円筒状ヒータランプと、
   前記金属基体の内周面とともに前記円筒状ヒータランプを覆うように前記金属基体内に設けられた断熱部材とを含む、定着装置。
2. 前記断熱部材は、前記金属基体の内周面とともに前記円筒状ヒータランプを覆うような円筒形状の窪みを有し、
   前記円筒状ヒータランプに対向して、前記円筒形状の窪み表面に熱反射材料を塗布する、請求項１に記載の定着装置。
3. 前記断熱部材は、前記金属基体の内周面とともに前記円筒状ヒータランプを覆うような円筒形状の窪みを有し、
   前記加熱ローラは、前記円筒状ヒータランプに対向して、前記円筒形状の窪み表面と前記円筒状ヒータランプとの間に設けられた熱反射部材をさらに有する、請求項１に記載の定着装置。
4. 前記円筒状ヒータランプは、前記円筒形状の窪みに密着して配置される、請求項２または３に記載の定着装置。
5. 前記円筒形状の窪みの径は、前記円筒状ヒータランプの径と同一に設定される、請求項４に記載の定着装置。
6. 前記加熱ローラを覆うように設けられた断熱カバーをさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の定着装置。

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