JP2023000756A - 定着装置、画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シートの生産性を低下させることなく、シートのカールを防止する。【解決手段】定着装置（４０）は、未定着のトナー像をシートに熱定着させている。定着装置には、シートの搬送に伴って回転する無端状の定着ベルト（４１）と、定着ベルトを幅方向に亘って加熱するヒーター（５２）と、定着ベルトの内面に幅方向に亘って接するパッド（４６）と、定着ベルトの内側でパッドを支持するステー（４３）と、パッドに定着ベルトを押し付ける押圧ローラー（４２）と、が設けられている。パッドが金属材料によって形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、定着装置、画像形成装置に関する。

複写機やプリンター等の電子写真式の画像形成装置には、未定着のトナー像を用紙に定着させる定着装置が設けられている。定着装置では、加熱状態の定着ベルトと押圧ローラーの間をシートが通過することでシートにトナー像が熱定着される。シートが定着装置を通過するときに、定着ベルトの通紙領域からシートに熱が奪われて、通紙領域の温度が低下して通紙領域と非通紙領域の温度差が大きくなってシートがカールする場合がある。このため、定着ベルトの非通紙領域を空気流によって冷却する定着装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２－１３２０７８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の定着装置では、シートの処理枚数が増えて非通紙領域の温度が高騰すると、空気流の風量及び風速を増大させる必要がある。空気流の風量及び風速が増大すると、定着装置の電力ロスが多くなって消費電力が増大すると共に、空気流によってＵＦＰ（Ultra-Fine Particle）が機外に巻き散らされる。シートの処理枚数を減らすことも考えられるが、シートの生産性が低下するという問題がある。

そこで、本発明は、シートの生産性を低下させることなく、シートのカールを防止することを目的とする。

本発明の一態様の定着装置は、未定着のトナー像をシートに熱定着させる定着装置であって、シートの搬送に伴って回転する無端状の定着ベルトと、前記定着ベルトを幅方向に亘って加熱するヒーターと、前記定着ベルトの内面に幅方向に亘って接するパッドと、前記定着ベルトの内側で前記パッドを支持するステーと、前記パッドに前記定着ベルトを押し付ける押圧ローラーと、を備え、前記パッドが金属材料によって形成されている。

前記定着装置では、前記パッドの熱伝導率が７５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である。

前記定着装置では、前記ステーに接触する前記パッドの接触面の接触面積率が５０％以上である。

前記定着装置では、前記定着ベルトの幅方向中央側が通紙領域になっており、前記定着ベルトの幅方向両端側が非通紙領域になっており、前記ステーに接触する前記パッドの接触面において非通紙領域側の接触面積率よりも、通紙領域側の接触面積率が小さくなっている。

本発明の一態様の画像形成装置は、シートに対してトナー像を形成する画像形成ユニットと、上記の定着装置と、を備えている。

本発明によれば、定着ベルトの内面に幅方向に亘って金属製のパッドが接するため、定着ベルトから金属製のパッドに熱が奪われて、定着ベルトの幅方向で温度分布が均一に近づけられる。よって、定着ベルトの非通紙領域の過昇温が防止されて、定着ベルトの通紙領域と非通紙領域の温度差が小さくなる。よって、シートの生産性を低下させることなく、シートのカールを抑えることができる。

本実施形態のプリンターの模式図である。 本実施形態の定着装置の断面模式図である。 パッドの熱伝導率と定着ベルトの温度の関係を示すグラフである。 パッドの接触面積率と定着ベルトの温度の関係を示すグラフである。 本実施形態のパッド及びステーの斜視図である。

以下、図面を参照しつつ、本実施形態の定着装置を備えた画像形成装置について説明する。なお、以下の説明では、画像形成装置としてプリンターを例示して説明する。図１は、本実施形態のプリンターの模式図である。各図に適宜付される矢印Ｆｒ、Ｒｅ、Ｕ、Ｌｏは、それぞれプリンターの前側、後側、上側、下側を示している。

図１に示すように、プリンター１は、各種機器が収容された箱型形状のハウジング１０を備えている。ハウジング１０の下部にはシート束がセットされる給紙カセット１１が収容され、ハウジング１０の上部には画像形成済みのシートが積み重ねられる排紙トレイ１２が設けられている。排紙トレイ１２の下方にはトナーが収容されたトナーコンテナ１３がトナーの色（例えば、マゼンタ、シアン、イエロー、ブラックの４色）毎に着脱可能にセットされている。複数のトナーコンテナ１３の下方には、一対のローラー１４、１５に掛け渡された中間転写ベルト１６が設けられている。

中間転写ベルト１６の下側には、中間転写ベルト１６の搬送方向に複数の画像形成ユニット１７が並んでいる。各画像形成ユニット１７には中間転写ベルト１６に転接する感光体ドラム２１が回転可能に設けられており、感光体ドラム２１の周囲には帯電器２２と、現像器２３と、１次転写ローラー２４と、除電部２５と、クリーニング装置２６とが１次転写のプロセス順に配置されている。クリーニング装置２６には廃トナーボックス（不図示）が接続されている。各現像器２３には不図示の供給路を通じてトナーコンテナ１３からトナーが供給され、廃トナーボックスには不図示の排出路を通じて各クリーニング装置２６から廃トナーが排出される。

各画像形成ユニット１７の下方には、レーザー・スキャニング・ユニット（ＬＳＵ）によって構成される露光装置１８が設けられている。ハウジング１０内の側部には、複数のローラーによって給紙カセット１１から排紙トレイ１２に向かうシートの搬送経路Ｌ１が形成されている。搬送経路Ｌ１の上流側（下側）には給紙部３１が設けられ、搬送経路Ｌ１において給紙部３１よりも下流側には中間転写ベルト１６の側端に２次転写ローラー３２が設けられている。搬送経路Ｌ１において２次転写ローラー３２の下流側には定着装置４０が設けられ、搬送経路Ｌ１の下流端側（上側）には排紙口３４が設けられている。

プリンター１の画像形成時には、帯電器２２によって感光体ドラム２１の表面が帯電された後、露光装置１８からのレーザー光によって感光体ドラム２１の表面に静電潜像が形成される。次に、現像器２３から感光体ドラム２１の表面の静電潜像にトナーが付着されてトナー像が形成され、感光体ドラム２１の表面から中間転写ベルト１６の表面にトナー像が１次転写される。各画像形成ユニット１７において各色のトナー像が中間転写ベルト１６に１次転写されることで、中間転写ベルト１６の表面にフルカラーのトナー像が形成される。感光体ドラム２１に残留した電荷と廃トナーは除電部２５及びクリーニング装置２６によって除去される。

一方で、給紙部３１によって給紙カセット１１又は手差しトレイ（不図示）からシートが取り込まれ、上記の画像形成動作にタイミングを合わせて２次転写ローラー３２に向けてシートが搬送される。２次転写ローラー３２によって中間転写ベルト１６の表面からシートの表面にフルカラーのトナー像が２次転写され、２次転写ローラー３２の下流の定着装置４０に向けて転写済みのシートが搬送される。定着装置４０においてシートにトナー像が定着され、定着済みのシートが排紙口３４から排紙トレイ１２上に排出される。このように、シートに転写されたトナー像が定着装置４０を通過することによってシートの表面に画像が形成される。

次に、図２を参照して、定着装置について説明する。図２は、本実施形態の定着装置の断面模式図である。なお、定着装置には、定着ベルトに冷却風を吹き付けるファンが設けられているが、ここでは説明を省略している。

図２に示すように、プリンター１（図１参照）には、無端状の定着ベルト４１を用いて、未定着のトナー像をシートに熱定着させるベルト定着方式の定着装置４０が採用されている。定着装置４０はシートの搬送経路Ｌ１を挟んで定着ベルト４１と押圧ローラー４２とを対向配置させており、定着ベルト４１と押圧ローラー４２の間に定着ニップＮが形成されている。定着ベルト４１の内側には、定着ベルト４１の幅方向に長い金属製のステー４３が設けられている。ステー４３は、断面略角型Ｃ字状のセンターフレーム４４と、センターフレーム４４の溝を覆う断面角型Ｕ字状の補助フレーム４５と、を有している。

補助フレーム４５の後壁には、定着ベルト４１の内面に幅方向に亘って接するパッド４６が支持されている。補助フレーム４５の上壁及び下壁には、定着ベルト４１の回転をガイドする断面略円弧状のガイド板４７が支持片４８、４９を介して取り付けられている。センターフレーム４４の前壁には、定着ベルト４１の温度を測定する温度センサー５１が取り付けられている。定着ベルト４１の外側には、押圧ローラー４２とは逆側（左側）にヒーター５２が設けられている。ヒーター５２は、ＩＨ（Induction Heating）方式を採用しており、定着ベルト４１を幅方向に亘って加熱している。

定着ベルト４１は、幅方向（回転軸方向）に長い筒状に形成されており、シートの搬送に伴って回転するように配置されている。定着ベルト４１は、例えば内側から外側に向かって積層された摺動層、基材層、弾性層、離型層によって形成されている。摺動層はポリイミド又はフッ素系樹脂等、基材層はニッケル又は銅等、弾性層はシリコーンゴム等、離型層はフッ素系樹脂等によってそれぞれ形成されている。基材層は、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケルの３層構造で形成されていてもよいし、ニッケル又は銅の単層構造で形成されていてもよい。

押圧ローラー４２は、円柱状に形成されており、パッド４６に対して定着ベルト４１を外側から押し付けている。押圧ローラー４２は、例えば回転軸Ｃ１を中心に回転可能な円柱状のコア材５３と、コア材５３の外周に設けられた弾性層５４と、弾性層５４の外面を覆う離型層（不図示）とによって形成されている。コア材５３はステンレス又はアルミニウム等の金属によって形成され、弾性層５４はシリコーンゴム又はシリコーンスポンジによって形成され、離型層はフッ素系樹脂によって形成されている。また、押圧ローラー４２には、モーター等の駆動源５５が接続されている。

パッド４６は、アルミニウム合金等の金属材料によって長尺に形成されている。パッド４６は、定着ベルト４１を挟んで押圧ローラー４２に対向しており、搬送経路Ｌ１に沿って定着ベルト４１を内側から支持している。パッド４６の支持面５６は押圧ローラー４２の外周面に対応した凹面状に形成されている。パッド４６の支持面５６は、搬送経路Ｌ１の上流から下流（下から上）に向かって、パッド４６の厚みが薄くなるように僅かに傾斜している。押圧ローラー４２によって定着ベルト４１がパッド４６の支持面５６に押し付けられることで、定着ベルト４１が支持面５６に倣って凹状に変形されている。

ガイド板４７は、ステンレス等の長尺の金属薄板によって断面略円弧状に形成されている。ガイド板４７は、回転軸Ｃ２を挟んでパッド４６とは逆側において、定着ベルト４１の回転を内側からガイドしている。温度センサー５１は、サーミスタ等の検知素子を定着ベルト４１の内面に接触させることで定着ベルト４１の温度を検知している。ヒーター５２には電源５９が接続されており、電源５９からヒーター５２の励磁コイルに高周波電流が通電される。励磁コイルの通電によって磁束が発生し、定着ベルト４１に磁束が吸収されることで定着ベルト４１が誘導加熱されている。

ところで、定着装置４０では、定着ベルト４１からパッドに熱が奪われないように、熱伝導率が低い合成樹脂によってパッドが形成されるのが通常である。シートが定着装置４０を通過するときには、定着ベルト４１の幅方向中央側の通紙領域からシートに熱が奪われて、定着ベルト４１の幅方向両端側の非通紙領域の温度が通紙領域に比べて相対的に高くなる。このため、シートがカールする他、定着ベルト４１の非通紙領域が異常昇温するおそれがある。そこで、本実施形態の定着装置４０では、熱伝導率が高い金属製のパッド４６が用いられることで、定着ベルト４１の幅方向で温度分布が均一に近づけられている。

以下、図３から図５を参照して、パッドの材質とステーに対するパッドの接触面積率について説明する。図３は、パッドの熱伝導率と定着ベルトの温度の関係を示すグラフである。図４は、パッドの接触面積率と定着ベルトの温度の関係を示すグラフである。図５は、本実施形態のパッド及びステーの斜視図である。なお、図３において縦軸は定着ベルトの最大温度、横軸はパッドの熱伝導率をそれぞれ示している。図４において、縦軸は定着ベルトの最大温度、横軸はステーに対するパッドの接触面積率をそれぞれ示している。

図３に示すように、材質の異なる複数種類のパッドを用意して、室温２３℃及び湿度５０％の通常環境にて、プリンター１の連続印字の飽和点になった時点で、熱電対によって定着ベルト４１の非通紙領域の温度を測定した。この結果、定着装置４０に合成樹脂製のパッドが用いられた場合には、定着ベルト４１の非通紙領域の最大温度が２５０℃以上に過昇温されている。この場合には、定着ベルト４１の非通紙領域の最大温度が異常温度である２２０℃以上になると共に、定着ベルト４１の通紙領域と非通紙領域の温度差が大きくなってシートにカールが生じる。

定着装置４０に熱伝導率が７５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のパッドが用いられた場合には、定着ベルト４１の非通紙領域の最大温度が２２０℃以下に抑えられている。この場合には、定着ベルト４１の非通紙領域の過昇温が抑えられると共に、定着ベルト４１の通紙領域と非通紙領域の温度が均一に近づけられてシートのカールが抑えられている。このように、定着ベルト４１の基材層に昇温し易い金属が使用されていても、パッドの熱伝導率が高くなることで、定着ベルト４１からパッドに適度に熱が奪われて、定着ベルト４１を適切に昇温させることができる。

定着装置４０に熱伝導率が１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）のパッドが用いられた場合には、定着ベルト４１の非通紙領域の最大温度が約２１０℃となる。さらに、定着装置４０に熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）のパッドが用いられた場合には、定着ベルト４１の非通紙領域の最大温度が約２０５℃となる。パッドの熱伝導率が高過ぎると、定着ベルト４１からパッドに多くの熱が奪われて、定着装置４０のウォームアップ時間が長くなる。定着ベルト４１の非通紙領域の最大温度が約２０５℃以上であれば、規定の起動時間内に定着ベルト４１を所望の定着温度まで昇温可能になっている。

このため、パッドの熱伝導率が７５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが好ましく、パッドの熱伝導率が７５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることがさらに好ましい。パッドには、例えば、ＪＩＳ規格で規定されたＡＤＣ１２、Ａ５０５２のアルミニウム合金が使用される。なお、パッドがアルミニウム合金に限定されず、銅等の他の金属材料又は金属材料以外の材料によって形成されてもよい。なお、図３の複数種類のパッドには、ステー４３に接触する接触面の接触面積率が９５％のものが使用されている。

図４に示すように、ステー４３に接触する接触面の接触面積率が異なる複数種類のパッドを用意して、室温２３℃及び湿度５０％の通常環境にて、プリンター１の連続印字の飽和点になった時点で、熱電対によって定着ベルト４１の非通紙領域の温度を測定した。この結果、定着装置４０に接触面積率が４０％のパッドが用いられた場合には、定着ベルト４１の非通紙領域の最大温度が２２０℃以上に過昇温されている。この場合には、定着ベルト４１の非通紙領域の最大温度が異常温度である２２０℃以上になると共に、定着ベルト４１の通紙領域と非通紙領域の温度差が大きくなってシートにカールが生じる。

定着装置４０に接触面積率が５０％のパッドが用いられた場合には、定着ベルト４１の非通紙領域の最大温度が、２１５℃以上、２２０℃以下に抑えられている。この場合には、定着ベルト４１の非通紙領域の過昇温が抑えられると共に、定着ベルト４１の通紙領域と非通紙領域の温度が均一に近づけられている。また、定着ベルト４１の熱がパッドに奪われ過ぎることもない。定着装置４０に接触面積率が７０％、９５％のパッドが用いられた場合も、定着ベルト４１の非通紙領域の最大温度が２１５℃以上、２２０℃以下に抑えられている。このように、ステー４３に接触するパッドの接触面の接触面積率が５０％以上であることが好ましい。なお、図４の複数種類のパッドにはＡＤＣ１２のアルミニウム合金が使用されている。

図５の右側には、ステー４３に対する接触面５７Ａの接触面積率が４０％のパッド４６Ａを示している。パッド４６Ａの接触面５７Ａは全体的にリブ５８Ａで形成されている。図５の中央には、ステー４３に対する接触面５７Ｂの接触面積率が６０％のパッド４６Ｂを示している。接触面５７Ｂの長手方向両端側は全体的に平坦に形成されており、接触面５７Ｂの長手方向中央側は全体的にリブ５８Ｂで形成されている。図５の左側には、ステー４３に対する接触面５７Ｃの接触面積率が９５％のパッド４６Ｃを示している。パッド４６Ｃの接触面５７Ｃは全体的に平坦に形成されている。

過昇温防止及びウォームアップ時間の短縮化を考慮すると、パッド４６Ｂを採用することが好ましい。ステー４３に接触するパッド４６Ｂの接触面５７Ｂでは長手方向両端側の接触面積率よりも、長手方向中央側の接触面積率が小さく形成されている。接触面５７Ｂの長手方向両端側は定着ベルト４１の非通紙領域側に対応しており、接触面５７Ｂの長手方向中央側は定着ベルト４１の通紙領域側に対応している。定着ベルト４１の通紙領域からシートに熱が奪われるが、定着ベルト４１の非通紙領域からパッド４６Ｂの長手方向両端側を介してステー４３に熱が伝わり易くなって定着ベルト４１の幅方向で温度分布が均一に近づけられる。

以上、本実施形態によれば、定着ベルト４１の内面に幅方向に亘って金属製のパッド４６が接するため、定着ベルト４１から金属製のパッド４６に熱が奪われて、定着ベルト４１の幅方向で温度分布が均一に近づけられる。よって、定着ベルト４１の非通紙領域の過昇温が防止されて、定着ベルト４１の通紙領域と非通紙領域の温度差が小さくなる。よって、シートの生産性を低下させることなく、シートのカールを抑えることができる。

さらに、プリンター１（図１参照）に本実施形態の定着装置４０を適用することで、シートの処理枚数が増えても、ファンによる冷却風を強める必要がなく、機外へのＵＦＰの排出量を抑えることができる。

なお、本実施形態において、ヒーターが定着ベルトの外側から加熱しているが、ヒーターが定着ベルトの内側から加熱してもよい。また、ヒーターは、定着ベルトを幅方向に亘って加熱可能であればよく、ＩＨ方式以外の加熱方式を採用したものでもよい。

また、本実施形態において、ステーがセンターフレーム及び補助フレームの２つの部材によって形成されているが、ステーが２つ以上の部材によって形成されてもよいし、ステーが１つの部材によって形成されてもおい。

また、本実施形態において、シートは、画像の形成対象となるシート状のものであればよく、例えば、普通紙、コート紙、トレーシングペーパー、ＯＨＰ（Over Head Projector）シートでもよい。

また、本実施形態では、画像形成装置として、プリンターを例示したが、この構成に限定されない。画像形成装置は、コピー機及びファクシミリの他、プリント機能、コピー機能及びファックス機能等を複合的に備えた複合機でもよい。

なお、本実施形態を説明したが、他の実施形態として、上記実施形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。

また、本発明の技術は上記の実施形態に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方によって実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

１ ：プリンター（画像形成装置）
１７：画像形成ユニット
４０：定着装置
４１：定着ベルト
４２：押圧ローラー
４３：ステー
４６：パッド
５２：ヒーター
５７：接触面

Claims (5)

1. 未定着のトナー像をシートに熱定着させる定着装置であって、
   シートの搬送に伴って回転する無端状の定着ベルトと、
   前記定着ベルトを幅方向に亘って加熱するヒーターと、
   前記定着ベルトの内面に幅方向に亘って接するパッドと、
   前記定着ベルトの内側で前記パッドを支持するステーと、
   前記パッドに前記定着ベルトを押し付ける押圧ローラーと、を備え、
   前記パッドが金属材料によって形成されていることを特徴とする定着装置。
2. 前記パッドの熱伝導率が７５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記ステーに接触する前記パッドの接触面の接触面積率が５０％以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の定着装置。
4. 前記定着ベルトの幅方向中央側が通紙領域になっており、前記定着ベルトの幅方向両端側が非通紙領域になっており、
   前記ステーに接触する前記パッドの接触面において非通紙領域側の接触面積率よりも、通紙領域側の接触面積率が小さいことを特徴とする請求項３に記載の定着装置。
5. シートに対してトナー像を形成する画像形成ユニットと、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の定着装置と、を備えていることを特徴とする画像形成装置。

Images