JP4355751B2 - 定着装置 - Google Patents

Description

本発明は、複写機やプリンタに搭載される定着装置に関するもので、特にフィルム（あるいはベルト）のような低熱容量の回転体を介して画像を加熱する定着装置に関する。

近年、消費電力が少なく、しかも装置の立ち上げ時間が短い複写機やプリンタが望まれている。消費電力や立ち上げ時間を大きく左右する要素の一つが加熱定着装置であり、加熱定着装置を低熱容量化することで消費電力の低減及び立ち上げ時間の短縮を両立しようとする技術動向がある。

このような低熱容量の定着装置の一例として、発熱抵抗体が形成されたセラミックヒータと、このヒータと接触しつつ回転する定着ベルトと、定着ベルトを介してヒータとニップ部を形成する加圧ローラと、を有し、定着ベルトと加圧ローラの間に未定着画像を担持する記録材を通過させて未定着画像を加熱定着する定着装置がある（例えば、特許文献１〜３参照）。

このような低熱容量の定着装置は、モノカラーの画像形成装置に用いられてきたが、フルカラーの画像形成装置に用いることも考えられる。フルカラーの画像は複数色のトナーが３層あるいは４層重ね合わされたものであり、良好な定着を行うにはトナー層を包み込むように加熱定着する必要がある。しかしながら、モノカラー用の定着ベルトはポリイミド等の樹脂製の基層とフッ素樹脂等の表面離型層を有するだけで、表面硬度が高い。このため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、混色不良などの問題が指摘されている。

これらの問題を解決する為の手段として、基層と表層の間に弾性層を設けた定着ベルトを用いる方法が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
特開平２−１５７８７８号公報 特開平４−４４０７５号公報 特開平４−２０４９８０号公報 特開平１０−１０８９３号公報

しかしながら、弾性層が存在するためにモノカラー用の定着ベルトよりも熱伝導度が低下する。上述の低熱容量の定着装置は、通常、ヒータの温度が所定の目標温度（定着温度）を維持するようにヒータへの通電を制御して温度管理されているが、ベルトの熱伝導度が低いと、ベルト表面が定着温度に達していなくてもヒータが定着温度に達してしまい、ヒータの発熱が規制されてしまう（すなわちヒータへの通電が規制される）という現象が生じる。画像形成装置がプリント信号の入力を待つスタンバイの状態からプリントを開始するまですばやく装置を立ち上げるには、ヒータへの充分な通電量が必要であるが、ベルトの熱伝導度が低いと上述のようにヒータへの通電量が規制されてしまい、すばやい立ち上げができなくなってしまう。

また、基層の上に耐熱エラストマー等の弾性層を設けた弾性ベルトを用いた定着装置では、発熱体に大きな電力を投入すると弾性層が基層に比べて熱伝導率が悪いために、ベルト表面の温度が所定の温度に達する前に発熱体を支持している支持部材へと熱が逃げるため熱効率が悪くなり、この状態で繰り返し使用すると支持部材が耐熱温度を越えてしまい破損するという問題があった。

そこで、定着ベルトの基層を金属製にして定着ベルトの熱伝導度を上げることも考えられるが、この手法だけでは充分な立ち上げ速度を確保するに至っていない。

本発明は上述の課題に鑑み成されたものであり、その目的は、弾性層を有する定着ベルトを用いても高速の立ち上げが可能な、即ちヒータの立ち上げに要する時間を短くすることができる定着装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、フルカラーの画像を形成できる画像形成装置に用いることが可能な定着装置を提供することにある。

本発明の更なる目的は添付図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読むことにより明らかになるであろう。

本発明は下記の構成を特徴とする定着装置である。

金属層とゴム層とを有するエンドレスベルトと、前記エンドレスベルトの内面に接触するヒータと、前記ヒータを支持すると共に前記エンドレスベルトの内面に接触し前記エンドレスベルトの回転をガイドするベルトガイド部材と、前記エンドレスベルトの外面に接触しており前記エンドレスベルトを介して前記ヒータと共にニップ部を形成する加圧ローラと、前記ヒータへ供給する電力を制御する制御手段と、を有し、前記ニップ部でトナー画像を担持する記録材を挟持搬送しつつ加熱定着する定着装置において、
前記ニップ部よりも前記エンドレスベルトの回転方向下流側で前記エンドレスベルトの温度を検知する温度検知素子を有し、前記制御手段は前記温度検知素子の検知温度が所定の温度を維持するように前記ヒータへ供給する電力を制御するものであり、スタンバイ状態から前記ヒータへ電力を供給開始して前記装置を定着可能状態まで立ち上げる際には、前記エンドレスベルトの温度を検知する前記温度検知素子の検知温度が前記所定の温度に達するまで前記ヒータへ電力を供給し続けることを特徴とする定着装置。

本発明によれば、ヒータの立ち上げに要する時間を短くすることができる。

〔１〕定着装置の全体概略構成
図１は本発明を定着装置として適用した加熱装置例の略断面図である。図１において、１は金属基層と弾性層（ゴム層）を有するエンドレス状のベルト（回転体：エンドレベルト）、２はセラミックの基板に発熱抵抗体が形成された発熱体（ヒータ）、３は該発熱体２を支持すると共に該ベルト１の内面に接触しベルト１の回転をガイドする樹脂製のベルトガイド部材であり、耐熱性の液晶ポリマー、フェノール樹脂、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ等により成型されている。該ベルト１は発熱体２や支持部材３の組立体に、余裕を持たせた形で外嵌している。ベルト１は内面が内部の発熱体２及び支持部材３に摺擦しながら回転するため、発熱体２及び支持部材３との間の摩擦抵抗を小さく抑える必要がある。このため発熱体２及び支持部材３とベルト１との間には耐熱性グリース等の潤滑剤を少量介在させてある。

４は回転可能に支持され、ベルト１の外面に接触しており、ベルト１を介し発熱体２に対して圧接する加圧部材としての加圧ローラであり、不図示の駆動手段によって回転駆動させられており、ベルト１を駆動する駆動ローラとしての機能も兼ねている。該加圧ローラ４はアルミ等の芯金４ａの上にシリコーンゴムやフッ素ゴム等あるいはシリコーンゴムを発泡させるなどして成型された耐熱弾性層４ｂを設け、該ゴム層４ｂの外周に離型層としてフッ素樹脂等の層４ｃを設けてある。

ベルト１は少なくとも画像定着時には加圧ローラ４の反時計方向の回転により動力を受けて時計方向に発熱体２の下面と摺動しながら所定の周速度、即ち未定着トナー画像６を担持した被加熱材である記録材５の搬送速度と略同一速度で回転駆動される。また、ベルト表面温度は温度検知素子８で検知され、その検知温度がＡ／Ｄコンバータ１０を介して温度制御回路（ヒータへ供給する電力を制御する制御手段）１１へフィードバックされて、ベルト１の表面温度が所定の温度に維持されるようにＡＣドライバ１２を制御して発熱体２への通電が制御される。

そして該ベルト１が回転駆動されている状態において、発熱体２と加圧ローラ４によって形成される圧接ニップ部７のベルト１と加圧ローラ４との間に記録材５が導入され、該記録材５をベルト１の外周面に密着さてベルトと一緒の重なり状態で該圧接ニップ部７を通過させ、加熱体２で発生した熱がベルト１を介して記録材５に付与され、それと共に圧力が加わることによって記録材５上の未定着トナー画像６が加熱溶融定着される。即ち、定着装置は前記ニップ部７でトナー画像６を担持する記録材を挟持搬送しつつ加熱定着する。定着処理された記録材５は圧接ニップ部７を通過後ベルト１から分離して装置外に排出される。

前記温度検知素子８は、図１のように、前記ニップ部７よりもベルト１の回転方向下流側でベルト１の温度を検知する。そして、温度制御回路１１は温度検知素子８の検知温度が所定の温度を維持するように発熱体２へ供給する電力を制御する。

記録材５に対する未定着トナー画像６の形成は、図には省略したが、電子写真プロセス・静電記録プロセス・磁気記録プロセス等の適宜の作像機構部において、間接（転写）方式あるいは直接方式で形成される。

次に、定着装置の各構成要素について詳述する。

〔２〕ベルト１
図２はベルト１の層構成を示す横断面模型図である。本実施の形態例の装置に用いるベルト１としては、少なくとも金属基層１ａ及び弾性層１ｂを含む多層構成の無端状ベルトである。

ａ）金属基層１ａ
金属基層１ａとしては、ニッケル、ステンレス、アルミ等の熱伝導性の良い金属、もしくはそれらを含む合金を用いることが出来るが、形状精度を出しやすいなどの利点から好ましくはニッケルを主成分とする金属を用いる。

従来より用いられていたポリイミド（ＰＩ）等の樹脂基層だと熱伝導率（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）が低いため、弾性層を設けた際にヒータで発生した熱が被加熱材に伝わりにくくなる。本例のように、ベルトの基層として金属を使用することによりベルトの熱伝導度を上げることができる。

金属基層１ａはニッケル等の電鋳加工法による製造が可能な材料を用い、ＳＵＳ（ステンレス）、銅等の円柱状の母型をスルファミン酸ニッケル、硫酸ニッケル、酢酸ニッケル液等の電鋳液中に浸漬させ電気メッキにより所定の厚みのニッケル層を形成し、脱型することにより薄肉の金属基層を得ることが出来る。

金属基層１ａの厚みとしてはベルト１の強度上の観点から１０μｍ以上であることが望ましい。逆に厚くしすぎると熱容量を増加させてしまうため定着性を確保出来る温度までベルト１の表面温度を上げるのに時間がかかり、またベルト１の剛性が上がるためベルト１と発熱体２との良好な接触状態が確保しにくいなどの理由から６０μｍ以下とする方が好ましい。よって金属基層の厚みは１０μｍ以上６０μｍ以下が好ましい。また同様に発熱体２との接触状態の確保の観点から金属基層１ａの内径は１５ｍｍ以上であることが望ましい。

本発明者らの検討によると、発熱体への通電を開始してからベルト表面の温度をすばやく定着可能温度まで立ち上げるためには、発熱体からベルトへの熱伝達（ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ）が優れている必要があることがわかった。例えば、発熱体への通電開始後、１枚目の記録材を出力するまでの時間を３０秒以内に短縮するためには、発熱体への通電開始後１５秒間の発熱体の発熱量が少なくとも７．５ＫＪ以上ないと、ベルト表面を定着に充分な温度領域へ到達させることが難しい。このように短時間で充分な発熱量を確保するにはベルト自体の熱伝導度が優れていること、及びヒータとベルトの密着度が高いこと、が必要であることがわかった。よって本例では、ベルトの基層を金属製にしており、且つ金属基層の厚みを１０μｍ以上６０μｍ以下で設計することによりベルトの撓み性を確保してヒータに密着できるようにしている。更に、撓み性の確保という点で金属基層の内径は１５ｍｍ以上であることが望ましい。

ｂ）弾性層１ｂ
弾性層１ｂとしては、フッ素ゴムやシリコーンゴムなどの耐熱エラストマー層を用いる。弾性層の形成方法としては未加硫状態のゴム部材をニッケル電鋳基層の上にスプレーコート法などの塗布手段を用い、厚みが±２０μｍ程度の範囲内で略均一になるように塗布したのち、オーブンなどの加熱手段を用いて架橋・硬化させる。これらのゴムにはシリカ、アルミナ、ボロンナイトライドなどの熱伝導度を向上させる充填剤が配合されていても良い。

弾性層１ｂの厚みとしては熱伝導度や弾力性を考慮して適宜定めることが出来る。しかし、トナー像を押しつぶさずに充分な解像度を確保する為には５０μｍ以上の厚みを有する方が良いが、厚くしすぎるとベルト表面温度を上げるのに時間がかかるため５００μｍ以下とすることが好ましく、更に好ましくは１００μｍ以上３００μｍ以下である。

ｃ）離型性層１ｃ
また、ベルト１の最表面にはトナーの離型性を確保する為にシリコーンゴム層あるいはＰＦＡやＰＴＦＥ、ＦＥＰ等のフッ素樹脂等の離型性層１ｃを塗工あるいはチューブ被覆等の方法で形成するのが好ましい。

金属基層１ａの内面には発熱体２や支持部材３との摺擦による劣化を防止する目的でポリイミド等の耐熱性樹脂を設けても良い。

また各層間１ａ−１ｂ，１ｂ−１ｃには層間の接着等の目的により上記以外の層が存在しても良い。

〔３〕発熱体２
図３は発熱体２の一部切り欠き平面模型図である。この発熱体２は、アルミナまたは窒化アルミニウム、炭化ケイ素等で形成された高絶縁性のセラミックス基板２ａの表面もしくは裏面に長手方向（被加熱材の移動方向に直交する方向）に沿って、例えばＡｇ／Ｐｄ（銀パラジウム）、ＲｕＯ_２、Ｔａ_２Ｎ等の通電発熱抵抗層２ｂを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ものである。発熱体２の表面には、電気的に絶縁であり、ベルト１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２ｃを設けている。通電発熱抵抗層２ｂの端部に設けられた電極部位２ｄ・２ｄを介して不図示の給電手段部から通電発熱抵抗層２ｂに電力供給を行っている。

以上のように、本例では、定着ベルト（回転体）１が金属層と弾性層（ゴム層）を有している。また、通電制御手段１１によって定着ベルト１の温度を検知する温度検知素子８の検知温度が目標温度（定着温度）を維持するように発熱抵抗層２ｂへの通電を制御している。即ち、図１のように、ニップ部７よりも下流側でベルト１の温度を検知し、この温度が所定の温度を維持するように発熱体（ヒータ）２へ供給する電力を制御することにより、発熱体２の立ち上げに要する時間を短くする。

〔４〕加圧ローラ４
加圧ローラ４は、鉄、アルミ等の金属製芯金４ａ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の発泡体等で形成された弾性層４ｂが設けられており、この層上にはＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ等の離型性層４ｃが形成されている。

加圧ローラ４は、２０ｍｍ前後の直径を有しており、該ベルト１の方向に不図示の加圧手段により、長手方向両端部から加熱定着に必要な圧接ニップ部７を形成するように加圧されている。このときの加圧力が小さすぎるとトナーに充分な熱量を与えることが出来ないこと、また、発熱体に対するベルトの充分な密着性を確保できないという理由で、長手方向（被加熱材の移動方向に直交する方向）の単位長さあたり０．３９Ｎ／ｍｍ以上の加圧力を有する方が良いが、加圧力が大きすぎるとベルト１と発熱体２乃至支持部材３との間にかかる圧力も大きくなってしまう為、摺動回転時の摩擦抵抗が大きくなり加圧ローラ４にかかるトルクが必要以上に大きくなる。またベルト１に与える応力が大きくなる為、金属基層１ａの疲労によって耐久性の低下につながる。よって、加圧力は０．９８Ｎ／ｍｍ以下であることが望ましい。

加圧力は、加圧ローラの両端部あるいは支持部材の両端部に対し、任意のバネ定数を有するバネ（不図示）を用いて押さえつけ、任意のバネ長さに設定することにより設定する。

［実施例１］
ニッケル（Ｎｉ）を主成分とした金属基層（厚み３０μｍ）の上に、スプレーコート法によってシリコーンゴム弾性層（２００μｍ）を設け、更に最表面にフッ素樹脂離型層（２０μｍ）を設けることで、ベルト内径２４ｍｍの加熱定着装置用ベルト１を作製した。これを、加圧ローラからの単位長さあたりの加圧力が０．４９Ｎ／ｍｍ、発熱体投入電力が５５０Ｗの外部定着装置に組み込み、以下の評価方法で評価を行った。

［評価方法］
「プロセススピード１２０ｍｍ／ｓｅｃ、定着温度１８０℃で良好な定着性を示すカラートナー」でラインパターン（色重ね）を形成した記録材を用意しておく。定着器の制御部はベルト表面の検知温度が１８０℃を維持するように発熱体２への通電電力を制御する。また、ベルト１は加圧ローラの回転に従動するものであり、制御部はベルト１の回転速度が１２０ｍｍ／ｓｅｃとなるように加圧ローラ４の回転速度を制御する。

このような定着器を用いて、まず、ベルトの回転開始と同時に発熱体２への通電を開始し、通電開始後１５秒間での発熱体１の発熱量を測定した。また１５秒後にベルトの温度が１８０℃に到達している場合は１５秒後に、更に時間がかかる場合はベルト表面が１８０℃到達後に未定着画像を担持した記録材を通し、その定着性について評価した。なお、ベルト表面温度は熱電対を接触させて測定した。

この結果、実施例１のベルトを用い、且つ加圧力を実施例１の値に設定すれば発熱体１が通電開始から１５秒で７．６ＫＪの熱量を発生しており、通電開始後９．５秒でベルト表面温度が定着可能温度の１８０℃に到達していることがわかった。また、未定着画像の解像度も確保されており、良好な定着性を示した。結果を表１に示す。

［画像評価の基準］
○；画像は定着後も押しつぶされずに、未定着画像とほぼ同等の解像度を維持
×；画像は定着後に押しつぶされ、未定着画像の解像度より大きく低下
［実施例２］
弾性層の厚みを４００μｍとした以外は実施例１と同様にして、加熱定着装置用ベルト２を作製した。実施例１と同様に評価したところ、ヒータ裏面過昇温の防止とオンデマンド性を両立し、良好な解像度を確保することが出来た。立ち上げ時間も満足できるレベルであった。結果を表１に示す。

［実施例３］
基層の厚みを５０μｍとした以外は実施例１と同様にして、加熱定着装置用ベルト３を作製した。実施例１と同様に評価したところ、ヒータ裏面過昇温の防止とオンデマンド性を両立し、良好な解像度を確保することが出来た。ベルトの耐久性も満足できるレベルであった。結果を表１に示す。

［実施例４］
実施例１の加熱定着装置用ベルト１を用い、外部定着装置の加圧ローラからの単位長さあたりの加圧力を０．７４Ｎ／ｍｍとした以外は実施例１と同様に評価したところ、ヒータ裏面過昇温の防止とオンデマンド性を両立し、良好な解像度を確保することが出来た。加圧ローラに掛かるトルクも問題ないレベルであった。結果を表１に示す。

［比較例１］
弾性層をつけない以外は実施例１と同様にして加熱定着用ベルト４を作製した。実施例１と同様に評価したところ、未定着画像を通した際に解像度が低下し、充分な定着性が得られなかった。結果を表１に示す。

［比較例２］
基層をポリイミド（ＰＩ）樹脂にした以外は実施例３と同様にして加熱定着用ベルト５を作製した。実施例１と同様に評価したところ、ベルト表面温度の上昇、並びに画像の定着性においては良好な結果が得られたが、数回検討を重ねたところ支持部材３が発熱体１の発生する熱によりヒートアップしたため、溶融・破損してしまった。結果を表１に示す。

本願発明は上述の実施例に限られるものではなく、技術思想内の変形を含むものである。

以上説明したように、回転体として弾性層（ゴム層）を有するベルトを用いても高速の立ち上げが可能な定着装置を提供することができる。また、フルカラーの画像を形成できる画像形成装置に用いることが可能な定着装置を提供することができる。

金属基層及び弾性層を有する回転体を用い、ヒータの発熱量、金属層の厚み及び内径・材質、加圧部材の加圧力、弾性層の厚みを適切に制御することで、例えば画像形成装置の加熱定着装置にあってはファーストプリントまでの時間の短縮、ヒータの過昇温緩和、カラー画像の解像度確保などが可能となる。

本発明の実施形態例における加熱定着装置の横断面模型図 該加熱定着装置に装着されるベルトの層構成を示す横断面模型図 該加熱定着装置に備えられる発熱体の一部切り欠き平面模型図

符号の説明

１・・ベルト、１ａ・・金属基層、１ｂ・・弾性層、１ｃ・・離型性層、２・・発熱体、２ａ・・セラミックス基板、２ｂ・・通電発熱抵抗層、２ｃ・・絶縁保護層、２ｄ・・電極、３・・支持部材、４加圧ローラ、４ａ・・金属製芯金、４ｂ・・弾性層、４ｃ・・離型性層、５・・被加熱材（記録材）、６・・未定着トナー画像、７・・圧接ニップ部、８・・温度検知素子

Claims (1)

1. 金属層とゴム層とを有するエンドレスベルトと、前記エンドレスベルトの内面に接触するヒータと、前記ヒータを支持すると共に前記エンドレスベルトの内面に接触し前記エンドレスベルトの回転をガイドするベルトガイド部材と、前記エンドレスベルトの外面に接触しており前記エンドレスベルトを介して前記ヒータと共にニップ部を形成する加圧ローラと、前記ヒータへ供給する電力を制御する制御手段と、を有し、前記ニップ部でトナー画像を担持する記録材を挟持搬送しつつ加熱定着する定着装置において、
   前記ニップ部よりも前記エンドレスベルトの回転方向下流側で前記エンドレスベルトの温度を検知する温度検知素子を有し、前記制御手段は前記温度検知素子の検知温度が所定の温度を維持するように前記ヒータへ供給する電力を制御するものであり、スタンバイ状態から前記ヒータへ電力を供給開始して前記装置を定着可能状態まで立ち上げる際には、前記エンドレスベルトの温度を検知する前記温度検知素子の検知温度が前記所定の温度に達するまで前記ヒータへ電力を供給し続けることを特徴とする定着装置。