JP3970044B2 - 加熱装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱基材ベルト上に弾性層を設けた耐熱弾性ベルトの内面側に加熱体を、外面側に被加熱体を密着させ、前記耐熱弾性ベルトを介して加熱体の熱エネルギーを被加熱体に付与するベルト加熱方式の加熱装置に関する。
【０００２】
この装置は、電子写真複写機・プリンタ・ファックス等の画像形成装置における画像定着装置、即ち電子写真・静電記録・磁気記録等の適宜の画像形成プロセス手段により加熱溶融性の樹脂等により成るトナーを用いて画像支持体としての被記録材（エレクトロファックスシート・静電記録シート・転写材シート・印刷紙など）の面に直接方式もしくは間接（転写）方式で形成した、目的の画像情報に対応した未定着のトナー画像を、該画像を担持している被記録材面に永久固着画像として加熱定着処理する装置として活用できる。
【０００３】
また、定着装置に限らず、例えば画像を担持した被記録材を加熱して表面性を改質する装置、仮定着する装置等、広く被加熱材を加熱処理する手段・装置として使用できる。
【０００４】
【従来の技術】
従来、例えば電子写真方式を用いた複写機・プリンタ・ファックス等の画像形成装置における被記録材上の未定着画像を定着する定着装置としては、熱効率、安全性が良好な接触加熱方式の定着装置が広く知られており、特に近年では省エネルギー推進の観点から、熱伝達効率が高く、装置の立ち上がりも早い方式として、熱容量の小さなベルトを介して加熱するベルト加熱方式の定着装置が注目されている。
【０００５】
最近では電子写真技術のカラー化が進む中において、被記録材と接する定着部材への要求としてソフト定着が求められている。従来の定着装置ではフッ素樹脂等の離型性樹脂から成る表層の剛性によりトナー粒子が押しつぶされ、画像の解像度が低下するという問題や、トナー層を幾重にも重ねるカラートナー像定着時においての混色不良などの問題が指摘されており、これらの問題を解決する為の手段としてフィルムの代わりに基層と表層の間に弾性層を設けた耐熱弾性ベルトを用いる方法が特開平１０−１０８９３号公報、特開平１１−１５３０３号公報にて提案されている。
【０００６】
具体的には図７に示すように、耐熱弾性ベルト５は、ベルト基層５ａとしての薄肉の金属チューブまたは耐熱プラスチックチューブの外面に、弾性層５ｂとしての耐熱エラストマー層が形成され、さらにその外面に表面層（離型層）５ｃとしてのシリコーンゴムまたはフッ素樹脂等の層が形成された積層構造を有している。
【０００７】
一方、この種のベルト定着方式の方向として、被記録材を効率よく加熱するためのプレヒート効果を得る目的で、例えば特開平６−３１４０４１号公報・特許第２７６９７２７号明細書等のように被記録材がニップ部に侵入する直前にベルトと接触させるような被記録材のプレヒート効果を狙ったものが提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この耐熱弾性ベルト５を用いたベルト加熱方式の定着装置では以下のような問題を生じた。
【０００９】
ａ．基層５ａに比べて熱伝導率の悪い弾性層５ｂを設けたためにニップ部での熱応答性が低下し、加熱体の発熱に対しニップ部の温度上昇が遅れて発現する。
【００１０】
ｂ．加熱体としてセラミックヒータを用いた際にはニップ幅内にセラミックヒータを設置する為、定着性を良くするために加圧力を大きくするとヒータが破損する恐れがある。
【００１１】
そこで本発明ではベルト加熱方式の加熱装置における上記ａやｂの問題を解決することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は下記の構成を特徴とする加熱装置である。
基層上に弾性層を設けた円筒状のベルトと、前記ベルトの内周面と接触し前記ベルトを加熱するセラミックヒータと、前記ベルトの内周面側に配置されており前記セラミックヒータを支持する支持部材と、を有する加熱アセンブリと、前記加熱アセンブリと共に圧接ニップ部を形成する加圧部材と、を有し、前記圧接ニップ部で被加熱材を挟持搬送しつつ加熱する加熱装置において、前記セラミックヒータは前記圧接ニップ部内には設けられておらず前記圧接ニップ部よりも前記ベルト回転方向上流側で前記支持部材に支持されており、前記圧接ニップ部は前記ベルトの内周面側に回転しないように固定配置された前記支持部材と前記加圧部材により前記ベルトを介して形成されていることを特徴とする加熱装置。
本発明によれば、１）セラミックヒータがベルト内周面側に配置されているので装置全体をコンパクトにできる、２）圧接ニップ部を形成する部材がセラミックヒータを支持する支持部材と加圧部材であるのでセラミックヒータに無理な圧力を掛けずに済む、３）支持部材がベルトの内周面側に回転しないように固定配置されているので、表面全体を暖めてしまうようなローラで圧接ニップ部を形成する構成に比べ圧接ニップ部でベルトから支持部材側へ逃げる熱量を抑えることができ、セラミックヒータを用いる立ち上げ時間が短い加熱装置の利点を活かすことができる、４）ベルトの外周面の任意の位置が圧接ニップ部に到達した時点でヒータにより与えられた熱がベルト表面に発現する構成にできるので消費電力を抑えることができる、という効果を同時に達成することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
〈実施例１〉
（１）画像形成装置例
図１は本発明に従う加熱装置を画像加熱定着装置として搭載させた画像形成装置例の概略構成図である。
【００２３】
この画像形成装置は、電子写真プロセスを用いた、タンデムタイプのフルカラープリンターである。
【００２４】
Ｙ・Ｍ・Ｃ・Ｂは図面上右から左に順に配列した第１〜第４の４つの色トナー像形成ステーションである。
【００２５】
各色トナー像形成ステーションＹ・Ｍ・Ｃ・Ｂは何れも、像担持体としての回転ドラム型の電子写真感光体１１、帯電装置１２、レーザースキャナやＬＥＤアレイ等の露光装置１３、現像装置１４、クリーニング装置１５等からなる電子写真プロセス機構である。感光体１１は矢印の時計方向に所定の周速度で回転駆動される。
【００２６】
第１の色トナー像形成ステーションＹは感光体１１の面にフルカラー画像のイエロー成分のトナー画像を形成する。第２の色トナー像形成ステーションＭは感光体１１の面にフルカラー画像のマゼンタ成分のトナー画像を形成する。第３の色トナー像形成ステーションＣは感光体１１の面にフルカラー画像のシアン成分のトナー画像を形成する。そして第４の色トナー像形成ステーションＢは感光体１１の面にブラックのトナー画像を形成する。各色トナー像形成ステーションにおけるトナー画像の形成原理・プロセスは公知であるからその説明は省略する。
【００２７】
１６は複数の支持ローラー１７に懸架させて張設した転写ベルトであり、第１〜第４の色トナー像形成ステーションＹ・Ｍ・Ｃ・Ｂの下側に、全色トナー像形成ステーションに渡たらせて配設してある。転写ベルト１６は矢印の反時計方向に、感光体１１の周速度に対応した周速度で回動駆動される。
【００２８】
１８は転写電極ローラであり、第１〜第４の各色トナー像形成ステーションＹ・Ｍ・Ｃ・Ｂにおいて、感光体１１の下面に対して転写ベルト１６を挟んで圧接して転写ニップ部を形成している。１９は各転写電極ローラ１８に対する転写バイアス印加電源であり、トナーの帯電極性とは逆極性の所定の電圧を転写バイアスとして所定の制御タイミングで印加する。
【００２９】
２０はシート給送路であり、不図示の給紙機構部から一枚分離給紙された記録材（転写材）Ｐを、転写ベルト１６の第１の色トナー像形成ステーションＹ側の端部に給送する。転写ベルト１６は給送された記録材Ｐを静電的に吸着保持して、あるいはチャックで把持して第１から第４の可視像形成ステーションＹ・Ｍ・Ｃ・Ｂの各転写ニップ部を順次に搬送する。これにより、同一の記録材Ｐの面にイエロートナー画像、マゼンタトナー画像、シアントナー画像、およびブラックトナー画像が順次に位置合わせ状態で重畳転写されてフルカラートナー画像が合成形成される。
【００３０】
第４の可視像形成ステーションＢの転写ニップ部を搬送されて通過した記録材Ｐは転写ベルト１６から分離され、加熱定着装置２１に導入されて未定着のトナー画像の加熱定着処理を受けて排出搬送される。
【００３１】
（２）加熱定着装置２１
図２は加熱定着装置２１部分の拡大横断面模型図である。本実施例の加熱定着装置２１は、無端状（円筒状）の耐熱弾性ベルトを用いた、加圧ローラ駆動タイプのベルト加熱方式の加熱装置である。
【００３２】
１は定着部材としての加熱アセンブリ、２は加圧部材としての耐熱弾性加圧ローラであり、互いに圧接してニップ部（定着ニップ部）Ｎを形成している。
【００３３】
定着部材としての加熱アセンブリ１は、加熱体（発熱体）３と、該加熱体を保持させ、また円筒状（エンドレスベルト状）の耐熱弾性ベルト（定着ベルト）５を余裕をもって回転自在に外嵌させた支持部材としての断熱ステイホルダ４と、該断熱ステイホルダ４の内側に挿通した横断面下向きＵ字型の剛性ステー６等からなる組立て体である。
【００３４】
加圧部材としての耐熱弾性加圧ローラ２は、芯金２ａと、その外側にシリコーンゴムやフッ素ゴム等の耐熱ゴムあるいはシリコーンゴムを発泡させる等して形成された弾性層２ｂからなり、この層２ｂ上にはＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ等の離型性層２ｃを形成してあってもよい。本例装置の加圧ローラ２は２０ｍｍの直径を有している。
【００３５】
上記の定着部材としての加熱アセンブリ１と、加圧部材としての耐熱弾性加圧ローラ２は、上下に並行に配置され、加圧ローラ２が加熱アセンブリ１の方向に不図示の加圧手段により弾性層２ｂの弾性に抗して付勢され、加熱アセンブリ１側の断熱ステイホルダ４の下面部と加圧ローラ２との間にベルト５を挟んで、加熱アセンブリ１と加圧ローラ２との長手方向両端部から加熱定着に必要な幅の圧接ニップ部Ｎを形成するように加圧制御されている。
【００３６】
加圧ローラ２は駆動手段Ｍにより矢印ｂの反時計方向に回転駆動される。ベルト５はこの加圧ローラ２の回転駆動に伴い圧接ニップ部Ｎにおいてその内面が断熱ステイホルダ４の下面部に摺動しながら断熱ステイホルダ４の外回りを矢印ａの時計方向に従動回転する。
【００３７】
上記圧接ニップ部Ｎのベルト５と加圧ローラ２との間に、被加熱材としての、未定着トナー画像ｔを担持した被記録材Ｐが導入されて挟持搬送されていく。ｃは被加熱材搬送方向である。
【００３８】
加熱体３は本例装置ではセラミックヒータであり、このヒータ３は圧接ニップ部Ｎよりも被加熱材搬送方向上流側において断熱ステイホルダ４の外面に固定支持させて配設してある。図３はこのヒータ３部分の拡大模型図である。ヒータ３は圧接ニップ部Ｎよりも被加熱搬送方向上流側においてベルト５の内面を加熱し、ベルト５が圧接ニップ部Ｎを通過する際にベルト５と加圧ローラ２の間に挟持搬送された被記録材Ｐへと熱を与え、被記録材Ｐ上のトナー画像ｔを融解、定着させる。本例装置では圧接ニップ部Ｎの上流側端部から被記録材搬送方向上流側に８ｍｍ離れた位置にヒータ３を設置した。
【００３９】
断熱ステイホルダ４は横断面半円状樋型部材であり、ヒータ３を保持し、ベルト内側への放熱を防ぎ、ベルト５の回転ガイドとしても機能し、液晶ポリマー、フェノール樹脂、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ等により形成されている。
【００４０】
ベルト５はその内側にあるヒータ３および断熱ステイホルダ４に摺擦しながら回転するためヒータ３および断熱ステイホルダ４とベルト５との間の摩擦抵抗を小さく抑える必要がある。このためヒータ３および断熱ステイホルダ４の表面に耐熱性グリース等の潤滑材を少量介在させてある。これによりベルト５はスムーズに回転することが可能となる。
【００４１】
１）加熱体３
図４は加熱体としてのセラミックヒータ３の一例の構造図である。（ａ）はヒータ表面側の一部切欠き平面模型図、（ｂ）はヒータ裏面側の平面模型図である。
【００４２】
このヒータ３は
▲１▼．被加熱材搬送方向と直交する方向を長手とする横長の、アルミナまたは窒化アルミニウム、炭化ケイ素等の高絶縁性のセラミックス基板３ａ（厚み０．６４ｍｍ程度）、
▲２▼．上記基板３ａの表面側に長手に沿ってスクリーン印刷等により、厚み１０μｍ程度、幅１〜５ｍｍ程度の線状もしくは細帯状に塗工して形成した、例えばＡｇ／Ｐｄ（銀パラジウム）、ＲｕＯ2、Ｔａ2Ｎ等の通電発熱抵抗層３ｂ、
▲３▼．上記通電発熱抵抗層３ｂの長手方向両端部に電気的に導通させて設けた、Ａｇ／Ｐｔ（銀・白金）で形成された電極部３ｃ・３ｃ、
▲４▼．通電発熱抵抗層３ｂの表面に設けた、電気的に絶縁し、ベルト５との摺擦に耐えることが可能な薄層のガラスコート等の絶縁保護層３ｄ、
▲５▼．基板３ａの裏面側に設けたサーミスタ等の温度感知素子３ｅ、
等からなる。
【００４３】
そして、このヒータ３を、断熱ステイホルダ４の外面の所定の位置にホルダ長手方向に予め設けた嵌合溝４ａ内にヒータを嵌め入れて固定支持させている。
【００４４】
上記ヒータ３の電極部３ｃ・３ｃは給電コネクタ（不図示）を介して給電部（不図示）と接続されており、給電部から通電発熱抵抗層３ｂに電力供給がなされてヒータ３が迅速に昇温する。温度感知素子３ｅはヒータ３の温度を検知してその温度情報を給電部にフィードバックする。
【００４５】
圧接ニップ部Ｎよりも被加熱材搬送方向下流側にはベルト５の表面の温度を感知するためのサーミスタ等の温度感知素子７が配設されている。そして、この温度感知素子７またはヒータ裏面側の温度感知素子３ｅ、或はその両方の温度検知信号に応じて、通電発熱抵抗層３ｂに印加される電圧や波数等を適切に制御することで、圧接ニップ部Ｎ内での温調温度を略一定に保ち、被記録材Ｐ上のトナー画像ｔを定着するのに必要な加熱を行う。
【００４６】
２）ベルト５
耐熱弾性ベルト５は前述図７のベルトと同様に、ベルト基層５ａと、弾性層５ｂと、表面層５ｃとの３層構造ベルトである。
【００４７】
最内面である基層５ａはポリイミド、ポリアミドイミド等の樹脂、或いはＳＵＳ、ニッケル等の金属ベルトから成る。長寿命の加熱定着装置を構成するために十分な強度を持ち、耐久性に優れる必要があるので更に内面にポリイミド等の強度を有する層を設けることがある。その上にはカラー画像の定着性を確保するために弾性層５ｂを設けており、シリコーンゴムやフッ素ゴム等の耐熱ゴム層を用いる。更にオフセット防止や被記録材の分離性を確保するために表面層５ｃとしてＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ、シリコーン樹脂等の離型性の良好な耐熱樹脂を混合ないし単独で被覆したものである。本実施例では内径３０ｍｍのベルト５を用いた。
【００４８】
而して上記のような装置構成とすることで、ベルト５が摺動回転している状態でヒータ３から加熱されるとベルト５の温度が上昇するが、最表面はヒータ部を通過した直後には充分な定着性を確保する温度までには上がっておらず、圧接ニップ部Ｎを通過するあたりまで回転してきた時点で充分に熱が伝わり、圧接ニップ部Ｎにおいて被記録材Ｐに対し良好な定着性を確保することができる。
【００４９】
従って、図５のように、圧接ニップ部Ｎ内にヒータ３を設置してヒータの発熱領域を設けた形の加熱装置とくらべてヒータ３の熱効率が良くなるため、より少ない投入電力量で充分な定着性を確保することが出来る。
【００５０】
具体的には図５に示すような圧接ニップ部Ｎ内にヒータ３を設置した構成の加熱装置において、プロセススピード１２０ｍｍ／ｓｅｃ、Ａ４規格の被加熱体を一分間に１２枚の間隔で連続して挿入した際には、充分な定着性を得るのに通紙時最大で６００ｗ必要だったのに対し、図２に示す本発明系の装置で同様のテストを行うと５３０ｗで充分な定着性が確保でき、１０％以上の省電力化が可能となった。
【００５１】
〈実施例２〉
次に本発明の第２の具体例について説明する。加熱定着装置内の構成は前記実施例１で示した図２と同様であるため、説明を省略する。
【００５２】
図６に本例の特徴である加熱体周辺の拡大断面図を示す。本例ではヒータ３の表面の断面形状が曲面を有しており、その曲面形状はベルト５の内面に密着ないしはそれに順じる形で摺動する。そのためヒータ３から発生した熱がベルト５へと良好に伝わり、図２・図３の平面形状のヒータ３に比べウェイトタイムのさらなる短縮が可能である。
【００５３】
室温状態から回転及び加熱をはじめ、圧接ニップ部Ｎよりも被加熱材搬送方向下流側部分のベルト表面温度が１８０℃に到達するまでの時間を測定したところ、平面形状のヒータを用いた際には２２秒であった。それに対し曲面形状のヒータを用いた際には２０秒まで短縮ができた。
【００５４】
また、ヒータ３からベルト５への伝熱効率がアップすることによりヒータ周辺部位の急激な昇温を緩和することができ、ヒータ３や断熱ステイホルダ４の破損を防止できる。
【００５５】
また、ヒータ３の取り付け位置を圧接ニップ部Ｎよりも被加熱材搬送方向上流側（ベルトの回転方向上流側）に配置することで、図２において２点鎖線示３'として示した上部位置や、２点鎖線示３"のように圧接ニップ部Ｎよりも被加熱材搬送方向下流側（ベルトの回転方向下流側）等の位置にヒータ３を取り付けたときに比べ、ベルト５とヒータ３とが接触しやすくなるため熱伝達効率が良くなり、ウェイトタイムの短縮につながる。
【００５７】
〈その他〉
１）実施例では加熱体３として図４に示したような構造のセラミックヒータを用いているが、これとは異なる構造のセラミックヒータであっても勿論よい。
【００５８】
２）また実施例では温度感知素子３ｅ・７として接触型のサーミスタを用いているが、ふく射等で感知する非接触型の感知素子等でも何ら問題は無く、配設位置に関しても実施例とは異なる他の場所に付けても温度制御は可能である。
【００５９】
３）またベルト５の回転は実施例では加圧ローラ駆動による従動回転としているが、ベルトの内部に駆動ローラを設け、駆動ローラを回転駆動することによりベルトを回転させるなど、任意の回転手段にすることが出来る。
【００６０】
４）加圧部材はローラ体に限られず、回動するエンドレスベルト体にすることもできる。
【００６１】
５）本発明の加熱装置は実施例の加熱定着装置に限られず、その他、仮定着する像加熱装置、画像を担持した記録材を再加熱してつや等の表面性を改質する像加熱装置、記録材以外のシート状の被加熱材を通紙して、乾燥、加熱ラミネート、熱プレスしわ取り、熱プレスカール取り等の加熱処理装置等としても使用できる
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱伝導率の低い弾性体を有するベルトを用いた構成のベルト加熱方式の加熱装置においても、加熱体の発生する熱がベルトをプレヒートすることによりベルトを介して圧接ニップ部で被加熱材に効率的に与えることができ、ウェイトタイムの短縮が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 画像形成装置例の概略図
【図２】 本発明に従う加熱装置としての加熱定着装置の一実施形態を示す概略構成図
【図３】 加熱体部分の拡大模型図
【図４】 加熱体の構造説明図
【図５】 圧接ニップ部に加熱体を配設した装置の概略構成図
【図６】 実施例２の加熱装置の加熱体部分の拡大模型図
【図７】 弾性体を有するベルトの層構成模型図
【符号の説明】
１．定着部材 ２．加圧部材（加圧ローラ） ３．加熱体 ３ａ．セラミックス基板 ３ｂ．通電発熱抵抗層 ３ｃ．電極部 ３ｄ．絶縁保護層 ４．支持部材（断熱ステイホルダ） ５．耐熱弾性ベルト ６．剛性ステー ７．温度検知素子 ２ａ．芯金 ２ｂ．弾性層 ２ｃ．離型性層 ５ａ．ベルト基層 ５ｂ．耐熱エラストマー層 ５ｃ．離型性層
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱基材ベルト上に弾性層を設けた耐熱弾性ベルトの内面側に加熱体を、外面側に被加熱体を密着させ、前記耐熱弾性ベルトを介して加熱体の熱エネルギーを被加熱体に付与するベルト加熱方式の加熱装置に関する。
【０００２】
この装置は、電子写真複写機・プリンタ・ファックス等の画像形成装置における画像定着装置、即ち電子写真・静電記録・磁気記録等の適宜の画像形成プロセス手段により加熱溶融性の樹脂等により成るトナーを用いて画像支持体としての被記録材（エレクトロファックスシート・静電記録シート・転写材シート・印刷紙など）の面に直接方式もしくは間接（転写）方式で形成した、目的の画像情報に対応した未定着のトナー画像を、該画像を担持している被記録材面に永久固着画像として加熱定着処理する装置として活用できる。
【０００３】
また、定着装置に限らず、例えば画像を担持した被記録材を加熱して表面性を改質する装置、仮定着する装置等、広く被加熱材を加熱処理する手段・装置として使用できる。
【０００４】
【従来の技術】
従来、例えば電子写真方式を用いた複写機・プリンタ・ファックス等の画像形成装置における被記録材上の未定着画像を定着する定着装置としては、熱効率、安全性が良好な接触加熱方式の定着装置が広く知られており、特に近年では省エネルギー推進の観点から、熱伝達効率が高く、装置の立ち上がりも早い方式として、熱容量の小さなベルトを介して加熱するベルト加熱方式の定着装置が注目されている。
【０００５】
最近では電子写真技術のカラー化が進む中において、被記録材と接する定着部材への要求としてソフト定着が求められている。従来の定着装置ではフッ素樹脂等の離型性樹脂から成る表層の剛性によりトナー粒子が押しつぶされ、画像の解像度が低下するという問題や、トナー層を幾重にも重ねるカラートナー像定着時においての混色不良などの問題が指摘されており、これらの問題を解決する為の手段としてフィルムの代わりに基層と表層の間に弾性層を設けた耐熱弾性ベルトを用いる方法が特開平１０−１０８９３号公報、特開平１１−１５３０３号公報にて提案されている。
【０００６】
具体的には図７に示すように、耐熱弾性ベルト５は、ベルト基層５ａとしての薄肉の金属チューブまたは耐熱プラスチックチューブの外面に、弾性層５ｂとしての耐熱エラストマー層が形成され、さらにその外面に表面層（離型層）５ｃとしてのシリコーンゴムまたはフッ素樹脂等の層が形成された積層構造を有している。
【０００７】
一方、この種のベルト定着方式の方向として、被記録材を効率よく加熱するためのプレヒート効果を得る目的で、例えば特開平６−３１４０４１号公報・特許第２７６９７２７号明細書等のように被記録材がニップ部に侵入する直前にベルトと接触させるような被記録材のプレヒート効果を狙ったものが提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この耐熱弾性ベルト５を用いたベルト加熱方式の定着装置では以下のような問題を生じた。
【０００９】
ａ．基層５ａに比べて熱伝導率の悪い弾性層５ｂを設けたためにニップ部での熱応答性が低下し、加熱体の発熱に対しニップ部の温度上昇が遅れて発現する。
【００１０】
ｂ．加熱体としてセラミックヒータを用いた際にはニップ幅内にセラミックヒータを設置する為、定着性を良くするために加圧力を大きくするとヒータが破損する恐れがある。
【００１１】
そこで本発明ではベルト加熱方式の加熱装置における上記ａやｂの問題を解決することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は下記の構成を特徴とする加熱装置である。
基層上に弾性層を設けた円筒状のベルトと、前記ベルトの内周面と接触し前記ベルトを加熱するセラミックヒータと、前記ベルトの内周面側に配置されており前記セラミックヒータを支持する支持部材と、を有する加熱アセンブリと、前記加熱アセンブリと共に圧接ニップ部を形成する加圧部材と、を有し、前記圧接ニップ部で被加熱材を挟持搬送しつつ加熱する加熱装置において、前記セラミックヒータは前記圧接ニップ部内には設けられておらず前記圧接ニップ部よりも前記ベルト回転方向上流側で前記支持部材に支持されており、前記圧接ニップ部は前記ベルトの内周面側に回転しないように固定配置された前記支持部材と前記加圧部材により前記ベルトを介して形成されていることを特徴とする加熱装置。
本発明によれば、１）セラミックヒータがベルト内周面側に配置されているので装置全体をコンパクトにできる、２）圧接ニップ部を形成する部材がセラミックヒータを支持する支持部材と加圧部材であるのでセラミックヒータに無理な圧力を掛けずに済む、３）支持部材がベルトの内周面側に回転しないように固定配置されているので、表面全体を暖めてしまうようなローラで圧接ニップ部を形成する構成に比べ圧接ニップ部でベルトから支持部材側へ逃げる熱量を抑えることができ、セラミックヒータを用いる立ち上げ時間が短い加熱装置の利点を活かすことができる、４）ベルトの外周面の任意の位置が圧接ニップ部に到達した時点でヒータにより与えられた熱がベルト表面に発現する構成にできるので消費電力を抑えることができる、という効果を同時に達成することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
〈実施例１〉
（１）画像形成装置例
図１は本発明に従う加熱装置を画像加熱定着装置として搭載させた画像形成装置例の概略構成図である。
【００２３】
この画像形成装置は、電子写真プロセスを用いた、タンデムタイプのフルカラープリンターである。
【００２４】
Ｙ・Ｍ・Ｃ・Ｂは図面上右から左に順に配列した第１〜第４の４つの色トナー像形成ステーションである。
【００２５】
各色トナー像形成ステーションＹ・Ｍ・Ｃ・Ｂは何れも、像担持体としての回転ドラム型の電子写真感光体１１、帯電装置１２、レーザースキャナやＬＥＤアレイ等の露光装置１３、現像装置１４、クリーニング装置１５等からなる電子写真プロセス機構である。感光体１１は矢印の時計方向に所定の周速度で回転駆動される。
【００２６】
第１の色トナー像形成ステーションＹは感光体１１の面にフルカラー画像のイエロー成分のトナー画像を形成する。第２の色トナー像形成ステーションＭは感光体１１の面にフルカラー画像のマゼンタ成分のトナー画像を形成する。第３の色トナー像形成ステーションＣは感光体１１の面にフルカラー画像のシアン成分のトナー画像を形成する。そして第４の色トナー像形成ステーションＢは感光体１１の面にブラックのトナー画像を形成する。各色トナー像形成ステーションにおけるトナー画像の形成原理・プロセスは公知であるからその説明は省略する。
【００２７】
１６は複数の支持ローラー１７に懸架させて張設した転写ベルトであり、第１〜第４の色トナー像形成ステーションＹ・Ｍ・Ｃ・Ｂの下側に、全色トナー像形成ステーションに渡たらせて配設してある。転写ベルト１６は矢印の反時計方向に、感光体１１の周速度に対応した周速度で回動駆動される。
【００２８】
１８は転写電極ローラであり、第１〜第４の各色トナー像形成ステーションＹ・Ｍ・Ｃ・Ｂにおいて、感光体１１の下面に対して転写ベルト１６を挟んで圧接して転写ニップ部を形成している。１９は各転写電極ローラ１８に対する転写バイアス印加電源であり、トナーの帯電極性とは逆極性の所定の電圧を転写バイアスとして所定の制御タイミングで印加する。
【００２９】
２０はシート給送路であり、不図示の給紙機構部から一枚分離給紙された記録材（転写材）Ｐを、転写ベルト１６の第１の色トナー像形成ステーションＹ側の端部に給送する。転写ベルト１６は給送された記録材Ｐを静電的に吸着保持して、あるいはチャックで把持して第１から第４の可視像形成ステーションＹ・Ｍ・Ｃ・Ｂの各転写ニップ部を順次に搬送する。これにより、同一の記録材Ｐの面にイエロートナー画像、マゼンタトナー画像、シアントナー画像、およびブラックトナー画像が順次に位置合わせ状態で重畳転写されてフルカラートナー画像が合成形成される。
【００３０】
第４の可視像形成ステーションＢの転写ニップ部を搬送されて通過した記録材Ｐは転写ベルト１６から分離され、加熱定着装置２１に導入されて未定着のトナー画像の加熱定着処理を受けて排出搬送される。
【００３１】
（２）加熱定着装置２１
図２は加熱定着装置２１部分の拡大横断面模型図である。本実施例の加熱定着装置２１は、無端状（円筒状）の耐熱弾性ベルトを用いた、加圧ローラ駆動タイプのベルト加熱方式の加熱装置である。
【００３２】
１は定着部材としての加熱アセンブリ、２は加圧部材としての耐熱弾性加圧ローラであり、互いに圧接してニップ部（定着ニップ部）Ｎを形成している。
【００３３】
定着部材としての加熱アセンブリ１は、加熱体（発熱体）３と、該加熱体を保持させ、また円筒状（エンドレスベルト状）の耐熱弾性ベルト（定着ベルト）５を余裕をもって回転自在に外嵌させた支持部材としての断熱ステイホルダ４と、該断熱ステイホルダ４の内側に挿通した横断面下向きＵ字型の剛性ステー６等からなる組立て体である。
【００３４】
加圧部材としての耐熱弾性加圧ローラ２は、芯金２ａと、その外側にシリコーンゴムやフッ素ゴム等の耐熱ゴムあるいはシリコーンゴムを発泡させる等して形成された弾性層２ｂからなり、この層２ｂ上にはＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ等の離型性層２ｃを形成してあってもよい。本例装置の加圧ローラ２は２０ｍｍの直径を有している。
【００３５】
上記の定着部材としての加熱アセンブリ１と、加圧部材としての耐熱弾性加圧ローラ２は、上下に並行に配置され、加圧ローラ２が加熱アセンブリ１の方向に不図示の加圧手段により弾性層２ｂの弾性に抗して付勢され、加熱アセンブリ１側の断熱ステイホルダ４の下面部と加圧ローラ２との間にベルト５を挟んで、加熱アセンブリ１と加圧ローラ２との長手方向両端部から加熱定着に必要な幅の圧接ニップ部Ｎを形成するように加圧制御されている。
【００３６】
加圧ローラ２は駆動手段Ｍにより矢印ｂの反時計方向に回転駆動される。ベルト５はこの加圧ローラ２の回転駆動に伴い圧接ニップ部Ｎにおいてその内面が断熱ステイホルダ４の下面部に摺動しながら断熱ステイホルダ４の外回りを矢印ａの時計方向に従動回転する。
【００３７】
上記圧接ニップ部Ｎのベルト５と加圧ローラ２との間に、被加熱材としての、未定着トナー画像ｔを担持した被記録材Ｐが導入されて挟持搬送されていく。ｃは被加熱材搬送方向である。
【００３８】
加熱体３は本例装置ではセラミックヒータであり、このヒータ３は圧接ニップ部Ｎよりも被加熱材搬送方向上流側において断熱ステイホルダ４の外面に固定支持させて配設してある。図３はこのヒータ３部分の拡大模型図である。ヒータ３は圧接ニップ部Ｎよりも被加熱搬送方向上流側においてベルト５の内面を加熱し、ベルト５が圧接ニップ部Ｎを通過する際にベルト５と加圧ローラ２の間に挟持搬送された被記録材Ｐへと熱を与え、被記録材Ｐ上のトナー画像ｔを融解、定着させる。本例装置では圧接ニップ部Ｎの上流側端部から被記録材搬送方向上流側に８ｍｍ離れた位置にヒータ３を設置した。
【００３９】
断熱ステイホルダ４は横断面半円状樋型部材であり、ヒータ３を保持し、ベルト内側への放熱を防ぎ、ベルト５の回転ガイドとしても機能し、液晶ポリマー、フェノール樹脂、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ等により形成されている。
【００４０】
ベルト５はその内側にあるヒータ３および断熱ステイホルダ４に摺擦しながら回転するためヒータ３および断熱ステイホルダ４とベルト５との間の摩擦抵抗を小さく抑える必要がある。このためヒータ３および断熱ステイホルダ４の表面に耐熱性グリース等の潤滑材を少量介在させてある。これによりベルト５はスムーズに回転することが可能となる。
【００４１】
１）加熱体３
図４は加熱体としてのセラミックヒータ３の一例の構造図である。（ａ）はヒータ表面側の一部切欠き平面模型図、（ｂ）はヒータ裏面側の平面模型図である。
【００４２】
このヒータ３は
▲１▼．被加熱材搬送方向と直交する方向を長手とする横長の、アルミナまたは窒化アルミニウム、炭化ケイ素等の高絶縁性のセラミックス基板３ａ（厚み０．６４ｍｍ程度）、
▲２▼．上記基板３ａの表面側に長手に沿ってスクリーン印刷等により、厚み１０μｍ程度、幅１〜５ｍｍ程度の線状もしくは細帯状に塗工して形成した、例えばＡｇ／Ｐｄ（銀パラジウム）、ＲｕＯ2、Ｔａ2Ｎ等の通電発熱抵抗層３ｂ、
▲３▼．上記通電発熱抵抗層３ｂの長手方向両端部に電気的に導通させて設けた、Ａｇ／Ｐｔ（銀・白金）で形成された電極部３ｃ・３ｃ、
▲４▼．通電発熱抵抗層３ｂの表面に設けた、電気的に絶縁し、ベルト５との摺擦に耐えることが可能な薄層のガラスコート等の絶縁保護層３ｄ、
▲５▼．基板３ａの裏面側に設けたサーミスタ等の温度感知素子３ｅ、
等からなる。
【００４３】
そして、このヒータ３を、断熱ステイホルダ４の外面の所定の位置にホルダ長手方向に予め設けた嵌合溝４ａ内にヒータを嵌め入れて固定支持させている。
【００４４】
上記ヒータ３の電極部３ｃ・３ｃは給電コネクタ（不図示）を介して給電部（不図示）と接続されており、給電部から通電発熱抵抗層３ｂに電力供給がなされてヒータ３が迅速に昇温する。温度感知素子３ｅはヒータ３の温度を検知してその温度情報を給電部にフィードバックする。
【００４５】
圧接ニップ部Ｎよりも被加熱材搬送方向下流側にはベルト５の表面の温度を感知するためのサーミスタ等の温度感知素子７が配設されている。そして、この温度感知素子７またはヒータ裏面側の温度感知素子３ｅ、或はその両方の温度検知信号に応じて、通電発熱抵抗層３ｂに印加される電圧や波数等を適切に制御することで、圧接ニップ部Ｎ内での温調温度を略一定に保ち、被記録材Ｐ上のトナー画像ｔを定着するのに必要な加熱を行う。
【００４６】
２）ベルト５
耐熱弾性ベルト５は前述図７のベルトと同様に、ベルト基層５ａと、弾性層５ｂと、表面層５ｃとの３層構造ベルトである。
【００４７】
最内面である基層５ａはポリイミド、ポリアミドイミド等の樹脂、或いはＳＵＳ、ニッケル等の金属ベルトから成る。長寿命の加熱定着装置を構成するために十分な強度を持ち、耐久性に優れる必要があるので更に内面にポリイミド等の強度を有する層を設けることがある。その上にはカラー画像の定着性を確保するために弾性層５ｂを設けており、シリコーンゴムやフッ素ゴム等の耐熱ゴム層を用いる。更にオフセット防止や被記録材の分離性を確保するために表面層５ｃとしてＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ、シリコーン樹脂等の離型性の良好な耐熱樹脂を混合ないし単独で被覆したものである。本実施例では内径３０ｍｍのベルト５を用いた。
【００４８】
而して上記のような装置構成とすることで、ベルト５が摺動回転している状態でヒータ３から加熱されるとベルト５の温度が上昇するが、最表面はヒータ部を通過した直後には充分な定着性を確保する温度までには上がっておらず、圧接ニップ部Ｎを通過するあたりまで回転してきた時点で充分に熱が伝わり、圧接ニップ部Ｎにおいて被記録材Ｐに対し良好な定着性を確保することができる。
【００４９】
従って、図５のように、圧接ニップ部Ｎ内にヒータ３を設置してヒータの発熱領域を設けた形の加熱装置とくらべてヒータ３の熱効率が良くなるため、より少ない投入電力量で充分な定着性を確保することが出来る。
【００５０】
具体的には図５に示すような圧接ニップ部Ｎ内にヒータ３を設置した構成の加熱装置において、プロセススピード１２０ｍｍ／ｓｅｃ、Ａ４規格の被加熱体を一分間に１２枚の間隔で連続して挿入した際には、充分な定着性を得るのに通紙時最大で６００ｗ必要だったのに対し、図２に示す本発明系の装置で同様のテストを行うと５３０ｗで充分な定着性が確保でき、１０％以上の省電力化が可能となった。
【００５１】
〈実施例２〉
次に本発明の第２の具体例について説明する。加熱定着装置内の構成は前記実施例１で示した図２と同様であるため、説明を省略する。
【００５２】
図６に本例の特徴である加熱体周辺の拡大断面図を示す。本例ではヒータ３の表面の断面形状が曲面を有しており、その曲面形状はベルト５の内面に密着ないしはそれに順じる形で摺動する。そのためヒータ３から発生した熱がベルト５へと良好に伝わり、図２・図３の平面形状のヒータ３に比べウェイトタイムのさらなる短縮が可能である。
【００５３】
室温状態から回転及び加熱をはじめ、圧接ニップ部Ｎよりも被加熱材搬送方向下流側部分のベルト表面温度が１８０℃に到達するまでの時間を測定したところ、平面形状のヒータを用いた際には２２秒であった。それに対し曲面形状のヒータを用いた際には２０秒まで短縮ができた。
【００５４】
また、ヒータ３からベルト５への伝熱効率がアップすることによりヒータ周辺部位の急激な昇温を緩和することができ、ヒータ３や断熱ステイホルダ４の破損を防止できる。
【００５５】
また、ヒータ３の取り付け位置を圧接ニップ部Ｎよりも被加熱材搬送方向上流側（ベルトの回転方向上流側）に配置することで、図２において２点鎖線示３'として示した上部位置や、２点鎖線示３"のように圧接ニップ部Ｎよりも被加熱材搬送方向下流側（ベルトの回転方向下流側）等の位置にヒータ３を取り付けたときに比べ、ベルト５とヒータ３とが接触しやすくなるため熱伝達効率が良くなり、ウェイトタイムの短縮につながる。
【００５７】
〈その他〉
１）実施例では加熱体３として図４に示したような構造のセラミックヒータを用いているが、これとは異なる構造のセラミックヒータであっても勿論よい。
【００５８】
２）また実施例では温度感知素子３ｅ・７として接触型のサーミスタを用いているが、ふく射等で感知する非接触型の感知素子等でも何ら問題は無く、配設位置に関しても実施例とは異なる他の場所に付けても温度制御は可能である。
【００５９】
３）またベルト５の回転は実施例では加圧ローラ駆動による従動回転としているが、ベルトの内部に駆動ローラを設け、駆動ローラを回転駆動することによりベルトを回転させるなど、任意の回転手段にすることが出来る。
【００６０】
４）加圧部材はローラ体に限られず、回動するエンドレスベルト体にすることもできる。
【００６１】
５）本発明の加熱装置は実施例の加熱定着装置に限られず、その他、仮定着する像加熱装置、画像を担持した記録材を再加熱してつや等の表面性を改質する像加熱装置、記録材以外のシート状の被加熱材を通紙して、乾燥、加熱ラミネート、熱プレスしわ取り、熱プレスカール取り等の加熱処理装置等としても使用できる
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱伝導率の低い弾性体を有するベルトを用いた構成のベルト加熱方式の加熱装置においても、加熱体の発生する熱がベルトをプレヒートすることによりベルトを介して圧接ニップ部で被加熱材に効率的に与えることができ、ウェイトタイムの短縮が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 画像形成装置例の概略図
【図２】 本発明に従う加熱装置としての加熱定着装置の一実施形態を示す概略構成図
【図３】 加熱体部分の拡大模型図
【図４】 加熱体の構造説明図
【図５】 圧接ニップ部に加熱体を配設した装置の概略構成図
【図６】 実施例２の加熱装置の加熱体部分の拡大模型図
【図７】 弾性体を有するベルトの層構成模型図
【符号の説明】
１．定着部材 ２．加圧部材（加圧ローラ） ３．加熱体 ３ａ．セラミックス基板 ３ｂ．通電発熱抵抗層 ３ｃ．電極部 ３ｄ．絶縁保護層 ４．支持部材（断熱ステイホルダ） ５．耐熱弾性ベルト ６．剛性ステー ７．温度検知素子 ２ａ．芯金 ２ｂ．弾性層 ２ｃ．離型性層 ５ａ．ベルト基層 ５ｂ．耐熱エラストマー層 ５ｃ．離型性層
Claims (1)
- 基層上に弾性層を設けた円筒状のベルトと、前記ベルトの内周面と接触し前記ベルトを加熱するセラミックヒータと、前記ベルトの内周面側に配置されており前記セラミックヒータを支持する支持部材と、を有する加熱アセンブリと、前記加熱アセンブリと共に圧接ニップ部を形成する加圧部材と、を有し、前記圧接ニップ部で被加熱材を挟持搬送しつつ加熱する加熱装置において、
前記セラミックヒータは前記圧接ニップ部内には設けられておらず前記圧接ニップ部よりも前記ベルト回転方向上流側で前記支持部材に支持されており、前記圧接ニップ部は前記ベルトの内周面側に回転しないように固定配置された前記支持部材と前記加圧部材により前記ベルトを介して形成されていることを特徴とする加熱装置。
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