JP4330983B2 - 定着装置及び電子写真方式の画像形成装置 - Google Patents

Description

この発明は、加熱部によって加熱されたベルトとそこに接する対向部材とで形成されるニップ部に送り込まれる記録媒体上の画像を定着させる定着装置と、その定着装置を備えた電子写真方式の画像形成装置に関する。

従来、このように加熱したベルトとそれに対向して接触する対向部材となるローラとの間に形成されるニップ部に送り込まれる記録媒体上のトナー画像を定着させる定着装置としては、例えば特許文献１に記載されているものがある。
その特許文献１に記載されている定着装置は、定着ローラと、その定着ローラに対して特定の距離を置いて設けた搬送ローラとの間に無端ベルトを張装し、その無端ベルトを介してもう一つの定着ローラ（加圧ローラとして機能）を上記定着ローラに圧接させ、その定着ローラ内にはヒータを設けて、それにより無端ベルトを定着温度まで加熱するようにしている。

そして、その加熱された無端ベルトと加圧側の定着ローラとの間にトナー画像を担持した記録媒体を搬送してそのトナーを溶融し、そのトナーを定着ローラと搬送ローラとの間に設けた冷却ファンにより冷却して、そのトナーをガラス転位状態にして記録媒体に定着させ、その記録媒体を無端ベルトの円弧状になって回動する部分でベルト面から分離するようにしている。
特許第２９７６１４４号公報（図１）

しかしながら、特許文献１に記載されている定着装置は、画像定着後の記録媒体のベルト面からの分離性を向上させるためファンを設けてベルトを冷却するようにしているので、そのファンを設けるためのスペースが必要となるため装置が大きくなってしまうと共に、ファンの分だけのコストもアップしてしまうという問題点があった。
この発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、定着装置を設けるスペースが小さくて済むと共に、部品点数を少なくして安価なコストにできるようにすることを目的とする。

この発明は上記の目的を達成するため、第１のローラと第２のローラとに張架されたベルトと、そのベルトを加熱する加熱部と、第１のローラに対向して配置されてその第１のローラとの間にベルトを挾む対向部材とを備え、上記ベルトと上記対向部材とが接するニップ部に送り込まれる記録媒体上の画像を該記録媒体に定着させる定着装置において、上記第２のローラはヒートパイプで形成されるかヒートパイプを設けており、
上記第２のローラを上記ベルトに対して接離させ、上記加熱部が上記ベルトを加熱し始める立上がり時には上記第２のローラを上記ベルトから離間させる接離機構と、その接離機構が上記第２のローラを上記ベルトから離間させた場合に該ベルトに接触して張力を与えるベルト接離部材とを備えたものである。
さらに、上記ベルト接離部材を上記ベルトに接触させて該ベルトに所定の張力を与えるように移動させるベルト接離部材移動機構を備えるのが望ましい。
上記ベルト接離部材が、上記第２のローラの外径よりも小径のローラ又はワイヤからなるとよい。
上記立上がり時の終了後には上記第２のローラを上記ベルトに接触させて、上記ベルト接離部材を上記ベルトから離間させるとよい。
これらの定着装置において、ヒートパイプの軸方向端部の少なくとも一方に冷却フィンを設けるとよい。

また、上記第１のローラは加熱源を内蔵した加熱ローラとし、上記第２のローラを加熱ローラの近傍に配置された支持ローラとし、上記ベルトを加熱ローラと支持ローラとに張架されて周回駆動される定着ベルトとし、上記対向部材を加圧ローラとし、定着ベルトと加圧ローラは共に少なくとも支持層の外側に弾性層を有しているようにするとよい。
その定着装置において、支持ローラは表面に摩擦抵抗を減少させる処理をして、加熱ローラの表面との関係が
加熱ローラ＞支持ローラの摩擦抵抗の関係になるようにすると、効果的である。

さらに、これらの定着装置を備えた電子写真方式の画像形成装置も提供する。

この発明によれば、加熱部によって加熱されるベルトを、そのベルトを張架する一方の第２のローラ自体あるいはそれに設けたヒートパイプにより冷却することができるので、そのベルトをファンにより発生させた風により冷却する場合に比べて定着装置全体を小型化することができると共に、安価に製作することができる。
また、加熱部がベルトを加熱し始める立上がり時には第２のローラをベルトから離間させるので、ベルトの熱が第２のローラから逃げて、ベルトが所定の温度に立ち上がるのが遅くなるようなことはない。しかも、このときベルト接離部材がベルトに接触して張力を与えるので、上記立上がり時にベルトの空回りを防止でき、ベルトの温度ムラに起因する定着ムラが出るような恐れもない。

以下、この発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１はこの発明による定着装置の基礎となる例を示す概略構成図、図２は同じくその定着装置を構成している支持ローラを一部断面にして示す側面図である。
図１に示す定着装置は、第１のローラであり加熱部となるハロゲンランプ３，３を内蔵した加熱ローラ１と、その加熱ローラ１の近傍に配置された第２のローラである支持ローラ２とに、ベルトである定着ベルト４を周回駆動可能に張架している。
支持ローラ２は、加熱ローラ１との間の距離Ｌが、一番近いところで０．５〜２０ｍｍ程度になるようにしてある。このようにすることにより、定着ベルト４の長さ（周長）をできるだけ短くしている。

支持ローラ２は、そこにヒートパイプ６を設けている。そのヒートパイプ６は、基本的な構成を図２に示すように、管内に毛細管作用を有するウィック（ｗｉｃｋ）と呼ばれる例えば金網や焼結金属等の多孔質物質を有するパイプ容器（コンテナ）７内に、熱輸送媒体である作動流体Ｗを封入したものである。
このヒートパイプ６は、小さい温度差で大量の熱量の輸送が可能であって、全体にわたって温度差が小さく、蒸発部と凝縮部を離して配置するこができる利点を有している。そして、この例では、パイプ容器７の材料として銅を使用しており、作動流体Ｗには水等を使用している。

そして、このヒートパイプ６には、その軸方向端部の一方に冷却フィン８を設けている。なお、冷却フィン８は、ヒートパイプ６の軸方向端部の両端部にそれぞれ設けるようにしてもよい。
また、支持ローラ２は、ヒートパイプ６を一体とせずに、それを別体で設けるようにしてもよい。

加熱ローラ１は、図１に示したようにハロゲンランプ３，３を内部に有しており、その一方のハロゲンランプ３でＡ４縦サイズの記録媒体の定着ができる領域を、他方のハロゲンランプ３でＡ４縦以外の記録媒体の定着ができる領域を加熱するようにしている。
なお、この２個のハロゲンランプ３，３は、定着ベルト４を加熱する加熱部として機能するものであるが、そのハロゲンランプ３の数は２個に限るものではなく、その数は適宜増減可能である。
この加熱ローラ１は、長手方向（軸線方向）の一端側に図示しない駆動ギヤが固定されていて、そこに駆動力が伝達されることにより回転する。また、この加熱ローラ１は、その内面に補強用のリブを設けて、強度アップを図るようにしてもよい。

また、この定着装置は、加熱ローラ１に対向して配置されてその加熱ローラ１との間に定着ベルト４を挾む対向部材である加圧ローラ５を備えており、図１の矢示Ｃ方向に搬送されて定着ベルト４と加圧ローラ５とが接するニップ部Ｎに送り込まれる記録媒体上のトナー画像を、その記録媒体に定着させる。
その加圧ローラ５は、内側から外側に向けて支持層１０、弾性層１１、離型層１２を有している。

この加圧ローラ５は、加熱ローラ１との間で必要なニップ部Ｎを形成するため、その外径はФ３０〜５０ｍｍが望ましく、その硬度はアスカーＣで８０°以下が望ましい。また、離型層１２は、ＰＦＡ（パーフルオロアルキシ）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡとＰＴＦＥの混合体等が適し、その厚さは３０〜２００μｍが好ましい。そして、その離型層１２は弾性層１１との間に塗布したプライマにより弾性層１１に接着してある。

弾性層１１は、一般的にシリコーンゴムやシリコーンスポンジで形成するが、その他の材料ではフッ素ゴム（バイトンゴム）等の耐熱性ゴムで形成してもよい。そして、その厚さは１〜５ｍｍ程度とし、ゴム中には熱伝導率を下げるために中空球状充填材を分散して混入させるとよい。
その分散混入させる中空球状充填材としては、ガラスバルーン、シリカバルーン、カーボンバルーン、フェノール樹脂バルーン、塩化ビニリデン樹脂バルーン、塩化ビニリデンと（メタ）アクリロニトリルとの共重合体からなる樹脂バルーン、アルミナバルーン、ジルコニアバルーン、シラスバルーンなどである。

支持層１０は、金属材料で形成し、この例では熱容量を下げるために、例えば鉄製で肉厚が０．５〜１ｍｍのパイプ材を使用するが、それを中実軸状にしてもよい。
また、加熱ローラ１も、外径はΦ３０〜５０ｍｍ程度のパイプ状が好ましく、その肉厚は０．３〜２ｍｍ程度とするのがよい。そして、そのパイプ状の材料としては、例えばアルミを使用するが、その他の材料として鉄、銅等の金属であってもよい。そして、そのパイプ材の内面には、光を吸収しやすいようにするため、耐熱性の黒色塗料を塗布するとよい。

定着ベルト４は、図３にその断面の一部を拡大して示すように、内側から外側に向かって順に、支持層１３、弾性層１４、離型層１５を有している。
その支持層１３としては、例えば耐熱性の樹脂であるＰＩ（ポリイミド）を使用する。また、弾性層１４としては、一般的にシリコーンゴムを使用するが、その他ではフッ素ゴム（バイトンゴム）等の耐熱性ゴムを使用するようにしてもよい。そして、その弾性層１４の厚さは、０．１〜０．６ｍｍとするのが好ましく、そのゴム中には熱伝導率を上げるために酸化材やシリカ等の材料を分散して混入させるとよい。
さらに、離型層１５は、ＰＦＡ（パーフルオロアルキシ）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、あるいはそのＰＦＡとＰＴＦＥの混合体を使用するのが適し、その厚さは１０〜５０μｍとするのがよい。そして、その離型層１５は弾性層１４との間に塗布したプライマにより弾性層１４に接着してある。

この定着装置は、図１に示したように、定着ベルト４の加熱ローラ１に巻き掛けた部分の外周面にサーミスタ１６を接触配置し、それにより定着ベルト４の外周面の温度を検知可能にしている。なお、このサーミスタ１６は、複数設けてもよい。
さらに、この定着装置は、例えばサーモスタットや温度ヒューズ等の安全装置１７を、加熱ローラ１に対して非接触で、その加熱ローラ１の近傍に設けている。

ところで、この定着装置は、図２で説明したように支持ローラ２自身をヒートパイプ６で形成している。そして、そのヒートパイプ６の軸方向端部の一方に冷却フィン８を設けている。したがって、その冷却フィン８を介してヒートパイプ６のパイプ容器７内の作動液Ｗを冷却してヒートパイプ６全体の温度を下げることができる。したがって、特許文献１で説明した定着装置のように、定着ベルトを冷却する専用の冷却ファンを設けなくても、記録媒体の定着ベルト４に対する分離性を向上させることができる。
それにより、専用の冷却ファンを設けなくて済む分だけ定着装置を小型にすることができると共に、コスト面で安価にすることができる。

図４はこの発明による定着装置に使用する支持ローラの他の例を示す図２と同様な側面図であり、図２と対応する部分には同一の符号を付してある。
この支持ローラ２′はヒートパイプ６のパイプ容器７の表面に摩擦抵抗を減少させる処理として、例えばテフロン（登録商標）である摩擦抵抗減少部材１８をコーティングした点のみが、図２で説明した支持ローラ２と異なる。そして、その摩擦抵抗減少部材１８をコーティングした部分と加熱ローラ（図１の加熱ローラ１を参照）の表面との摩擦抵抗の関係が、
加熱ローラ＞支持ローラの関係になるようにしている。

そして、その摩擦抵抗減少部材１８として使用するテフロンは、ＰＦＡ（パーフルオロアルキシ）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、あるいはそのＰＦＡとＰＴＦＥの混合体であり、その厚さは１０〜２００μｍとする。そして、その摩擦抵抗減少部材１８とパイプ容器（コンテナ）７との間にはプライマを塗布している。
ところで、従来の加熱ローラ（定着ローラ）と支持ローラとの間に定着ベルトを張装した定着装置では、支持ローラの表面の摩擦抵抗が加熱ローラの摩擦抵抗よりも高い場合には、その支持ローラがブレーキとなって定着ベルトのスピードが変わってしまい、それにより記録媒体に定着された画像に乱れが生じてしまう恐れがあった。

しかしながら、この支持ローラ２′を使用した定着装置によれば、上述したように摩擦抵抗が加熱ローラ＞支持ローラの関係になるようにしているので、支持ローラ２′がブレーキになるようなことがないので、定着ベルトのスピードが変化したりしない。したがって、良好な画像が得られる。
なお、加熱ローラの表面を、例えばサンドブラスト加工等を行うことにより摩擦抵抗を高めるようにすれば、より好ましい結果が得られる。

図５もこの発明による定着装置の基礎となる他の例を示す概略構成図であり、図１と対応する部分には同一の符号を付してある。
この定着装置は、図１乃至図３で説明した定着装置に対し、支持ローラ２を定着ベルト４に対して接離させる接離機構である支持ローラ接離機構２０を設け、その支持ローラ接離機構２０により、加熱ローラ１が定着ベルト４を加熱し始める立上がり時には支持ローラ２を定着ベルト４から離間させ、立上がり終了後には支持ローラ２を定着ベルト４に接触させるようにした点が異なる。

支持ローラ接離機構２０は、ソレノイド２１の可動軸２１ａを支持ローラ２の支持軸２ａに取り付けると共に、その支持軸２ａに引っ張りバネ２２の一端を取り付け、その引っ張りバネ２２の他端を固定部に固定したものである。
したがって、ソレノイド２１のオフ時には支持ローラ２の支持軸２ａが引っ張りバネ２２の付勢力により矢示Ａ方向に付勢されて、支持ローラ２の外周面が図５に実線で示したように定着ベルト４の内面に接する。
また、ソレノイド２１をオンにすると、可動軸２１ａが引っ張りバネ２２の付勢力に抗して矢示Ａと反対方向に移動するため、支持ローラ２が図５に仮想線で示したように定着ベルト４の内面から離間する。

この定着装置は、電源をオンにすると制御部（ＣＰＵ）がソレノイド２１に信号を送ることによりそれをオンにする。したがって、支持ローラ２が図５に仮想線で示した離間位置に移動する。
また、その制御部は、ハロゲンランプ３，３を加熱する信号を送ることによりハロゲンランプ３，３を加熱させる。そして、定着ベルト４の外周面温度がトナー画像の定着に必要な所定の温度まで上昇したことをサーミスタ１６が検知すると、制御部は定着駆動に関する信号を出力して定着駆動をオンにし、再度上記所定の温度をサーミスタ１６が検知することにより立上り終了の信号を入力すると、ソレノイド２１をオフにする。

それにより、支持ローラ２が引っ張りバネ２２の付勢力により定着ベルト４の内面に接する。なお、このとき定着ベルト４の駆動スピードは通紙時のスピードより遅い方が望ましい。
この定着装置によれば、上述した立上がり時に支持ローラ２を定着ベルト４から離間させるので、その支持ローラ２から定着ベルト４の熱が逃げないようにすることができるため、定着ベルト４がトナー画像の定着に必要な所定の温度に上昇するまでの立上がりが遅くなるのを防止することができる。

すなわち、定着装置をウォームアップする立上がり時には、定着ベルト４全体を加熱する必要があるため、その定着ベルト４を空回しして加熱ローラ１によりベルトの温度をトナー画像の定着に必要な所定の温度まで上昇させるが、その際にヒートパイプ６で形成されていることにより冷却作用のある支持ローラ２を定着ベルト４に接触させておくと、定着ベルト４の熱が支持ローラ２から逃げてしまうため、定着ベルト４が上記所定の温度になる立上がりが遅くなってしまう。
しかしながら、このように、定着装置の立上り時に支持ローラ２を定着ベルト４から離間させるようにすれば、上記の問題を解決することができる。
なお、ソレノイド２１の替わりにスティッピングモータ等のモータを使用して支持ローラ接離機構２０を構成するようにしてもよい。

また、図４で説明した支持ローラ２′を用いた定着装置において、支持ローラ２′を定着ベルト４に対して支持ローラ接離機構２０により接離させるようにし、その支持ローラ接離機構２０により、加熱ローラ１が定着ベルト４を加熱し始める立上がり時に支持ローラ２′を定着ベルト４から離間させ、立上がり終了後に支持ローラ２′を定着ベルト４に接触させるようにしても、同様の効果が得られる。

図６はこの発明による定着装置の実施例を示す概略構成図、図７は同じくその定着装置が有するベルト接離部材３１を定着ベルト４の内面に接触させた状態を示す概略構成図であり、図５と対応する部分には同一の符号を付してある。
この実施例の定着装置は、図５で説明した定着装置に対し、加熱ローラ１と支持ローラ２との間にその支持ローラ２の外径よりも小径のワイヤ（ローラであってもよい）からなるベルト接離部材３１を設け、支持ローラ２が定着ベルト４から離間したときにベルト接離部材３１を定着ベルト４の内面に接触させてその定着ベルト４に所定の張力を与えるベルト接離部材移動機構３０を設けた点が異なる。

ベルト接離部材移動機構３０は、定着ベルト４の内側に設けたベルト接離部材３１を引っ張りバネ３２により図６の矢示Ｂ方向に引っ張り付勢すると共に、そのベルト接離部材３１にソレノイド３３の可動軸３３ａを取り付けて、ベルト接離部材３１を引っ張りバネ３２の付勢力に抗して矢示Ｂと反対方向に移動可能にした機構である。
そして、電源がオフの状態では、ベルト接離部材３１は引っ張りバネ３２の付勢力により図６に示した位置にあって、定着ベルト４に所定のテンションをかける位置から離れた位置にある。

その電源をオンにすると、制御部（ＣＰＵ）がソレノイド２１，３３をそれぞれオンにする信号を送るため、支持ローラ２が図７に示すように定着ベルト４の内面から離れた位置に移動する（図７では支持ローラ２が定着ベルト４の内面に接しているように見えるが、実際には僅かに離れた非接触となる）。また、ベルト接離部材３１が、引っ張りバネ３２の付勢力に抗して図７に示した定着ベルト４に所定のテンションを与える位置に移動する。

さらに、制御部はハロゲンランプ３，３を加熱させるように制御する。それにより、定着ベルト４の外周面がトナー画像の定着に必要な所定の温度まで上昇し、それをサーミスタ１６が検知すると制御部は、定着駆動に関する信号を出力して定着駆動をオンにし、再度上記所定の温度をサーミスタ１６が検知することにより立上り終了の信号を入力すると、ソレノイド２１，３３を共にオフにする。
それにより、支持ローラ２が引っ張りバネ２２の付勢力により図６に示した元の位置に戻ると共に、ベルト接離部材３１も引っ張りバネ３２の付勢力により図６に示した元の位置に戻る。なお、このとき定着ベルト４の駆動スピードは通紙時のスピードより遅い方が望ましい。

ところで、図５に示した定着装置の場合には、同図に仮想線で示す離間位置に支持ローラ２が移動したときには、その支持ローラ２によって定着ベルト４に加えられていた所定のテンションが無くなるため、定着装置の立上り時において定着ベルト４が回動しているときに、その定着ベルト４が空回りしてベルト全体が均一な温度に加熱されなくなり、ベルトの温度ムラに起因する定着ムラが出ることが考えられた。

しかしながら、この実施例の定着装置の場合には、図７で説明したように定着装置の立上がり時には、支持ローラ２が定着ベルト４から離れても、それに代わってベルト接離部材３１が定着ベルト４にテンションを与える位置に移動するので、上述した立上り時における定着ベルト４の空回りを防止することができる。そして、そのベルト接離部材３１は支持ローラ２の外径よりも小径に形成しているため熱容量が低いので、定着ベルト４からベルト接離部材３１を通して逃げていく熱はわずかであるため、立上がりを遅めてしまうことがない。
なお、ソレノイド３３の替わりにスティッピングモータ等のモータを使用してベルト接離部材移動機構３０を構成するようにしてもよい。
また、支持ローラ２に代えて、図４で説明した支持ローラ２′を使用しても同様の作用効果を奏する。

この発明は、電子写真方式により記録媒体上に形成された未定着のトナー画像を加熱しながら加圧することにより定着させる定着装置を備えた画像形成装置に広く適用することができる。

この発明による定着装置の基礎となる例を示す概略構成図である。 同じくその定着装置を構成している支持ローラを一部断面にして示す側面図である。 図１の定着装置に設けられている定着ベルトの断面の一部を拡大して示す断面図である。 この発明による定着装置に使用する支持ローラの他の例を示す図２と同様な側面図である。 この発明による定着装置の基礎となる他の例を示す概略構成図である。 この発明による定着装置の実施例を示す概略構成図である。 同じくその定着装置が有するベルト接離部材を定着ベルトの内面に接触させた状態を示す概略構成図である。

１：加熱ローラ（第１のローラ）、２，２′：支持ローラ（第２のローラ）、３：ハロゲンランプ（加熱源，加熱部）、４：定着ベルト、５：加圧ローラ（対向部材）、６：ヒートパイプ、８：冷却フィン、２０：支持ローラ接離機構、３０：ベルト接離部材移動機構、３１：ベルト接離部材

Claims (8)

1. 第１のローラと第２のローラとに張架されたベルトと、該ベルトを加熱する加熱部と、前記第１のローラに対向して配置されて該第１のローラとの間に前記ベルトを挾む対向部材とを備え、前記ベルトと前記対向部材とが接するニップ部に送り込まれる記録媒体上の画像を該記録媒体に定着させる定着装置において、
   前記第２のローラはヒートパイプで形成されるかヒートパイプを設けており、
   前記第２のローラを前記ベルトに対して接離させ、前記加熱部が前記ベルトを加熱し始める立上がり時には前記第２のローラを前記ベルトから離間させる接離機構と、
   該接離機構が前記第２のローラを前記ベルトから離間させた場合に該ベルトに接触して張力を与えるベルト接離部材と、
   を備えたことを特徴とする定着装置。
2. 前記ベルト接離部材を前記ベルトに接触させて該ベルトに所定の張力を与えるように移動させるベルト接離部材移動機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記ベルト接離部材が、前記第２のローラの外径よりも小径のローラ又はワイヤからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
4. 前記立上がり時の終了後には前記第２のローラを前記ベルトに接触させて、前記ベルト接離部材を前記ベルトから離間させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の定着装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の定着装置において、前記ヒートパイプの軸方向端部の少なくとも一方に冷却フィンを設けていることを特徴とする定着装置。
6. 前記第１のローラは加熱源を内蔵した加熱ローラであり、前記第２のローラは前記加熱ローラの近傍に配置された支持ローラであり、前記ベルトは前記加熱ローラと前記支持ローラとに張架されて周回駆動される定着ベルトであり、前記対向部材は加圧ローラであり、前記定着ベルトと前記加圧ローラは共に少なくとも支持層の外側に弾性層を有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の定着装置。
7. 請求項６記載の定着装置において、前記支持ローラは表面に摩擦抵抗を減少させる処理をして、前記加熱ローラの表面との関係が
   加熱ローラ＞支持ローラの摩擦抵抗の関係になるようにしていることを特徴とする定着装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載した定着装置を備えた電子写真方式の画像形成装置。

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