JP5683322B2

JP5683322B2 - 定着装置

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Publication number: JP5683322B2
Application number: JP2011044070A
Authority: JP
Inventors: 弘幸門脇
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-03-01
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2031-03-01
Also published as: US8712273B2; US20120224875A1; JP2012181348A

Description

本発明は、ベルトを用いた加熱回転体を有する定着装置に関するものである。

近年では、定着装置のクイックスタートや消費電力低減を実現するための一つの方向性として、オンデマンド化が図られている。具体的には、加熱回転体を無端状の薄いベルトにすることで、従来の肉厚の熱ローラに比べて熱容量を小さくして、装置のウォームアップタイムを短くすると同時に、ウォームアップ時の消費電力を抑えるものである。オンデマンド化を図ることで、プリント指示があった後、少ない待ち時間で直ぐにプリントが開始できるという効果がある。

ところで、上述したようなオンデマンド方式の定着装置において、基材と離型層から成る薄いベルトを用いると、記録材上のトナー量が多い画像の形成においては、均一な定着性を得ることが困難であるという課題があった。更に、紙表面に凹凸がある普通紙においては、トナー像の溶融具合が変化してしまい、定着画像表面に光沢むらが発生することがあった。

そこで、特許文献１のように、定着ベルトの基材と離型層の間に、シリコーンゴムなどからなる弾性層を設けることが考えられる。

特開２００３−３２３９６５号公報

しかしながら、効果を発現できるような弾性層はある程度の厚みが必要であり、その定着ベルト表面への熱伝達が遅くなる。

発熱体から定着ベルト内面に伝えられた熱エネルギーが定着ベルト外面に伝わるまでに所定の時間ｔ（ｓｅｃ）、定着ベルトの回転速度をｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）とすると、定着ベルトは所定時間ｔの間にｌ＝ｔｖ（ｍｍ）移動する。したがって、定着ベルト内面のある一点を加熱体で加熱した場合、その熱が定着ベルト外面に伝わる時には、定着ベルトは回転方向下流へｌだけ移動していることになる。つまり、定着ベルトの内面から外面までの熱伝導率が小さい程、また、定着ベルトの回転速度が大きい程、ｌは大きくなり、記録材がニップ部を通過している間に、発熱体からベルト表面に十分な熱流を送り込むことができず、定着不良を生じやすいという課題がある。

本発明は、上記課題を鑑みて発明されたものであり、オンデマンド化と良好な定着性を両立した定着装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、複数の発熱体と、前記複数の発熱体を内包し前記複数の発熱体で加熱される加熱回転体と、前記加熱回転体が回転することで前記加熱回転体の内面と摺動する摺動部材と、前記加熱回転体を介して前記摺動部材と圧接してニップ部を形成する加圧部材と、前記加熱回転体又は前記摺動部材の温度を検知する温度検知手段と、前記温度検知手段の検知温度が目標温度になるように前記複数の発熱体の発熱量を制御する制御手段と、を有し、前記ニップ部で記録材を挟持搬送し加熱することで記録材上のトナーを記録材に定着する定着装置において、前記複数の発熱体として、前記ニップ部に近い位置に配置された第一の発熱体と、前記ニップ部までの距離が前記第一の発熱体よりも長い位置に配置された第二の発熱体を有し、記録材の前記ニップ部での搬送速度が異なるモードとして、第一の定着処理モードと、前記第一の定着処理モードよりも搬送速度が小さい第二の定着処理モードを有し、前記第二の定着処理モードの時よりも前記第一の定着処理モードの時の方が、前記第二の発熱体の発熱量に対する前記第一の発熱体の発熱量の比率が小さい設定で前記制御手段が制御することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、以下の効果がある。
弾性層を有したベルト等の加熱回転体を備え、複数の発熱体を内包した定着装置において、第一の発熱体と第二の発熱体の発熱量の比率をニップ部での搬送速度に応じて変えることで、オンデマンド化と良好な定着性を両立することができる。

実施例１に係る定着装置１０の構成を示す図実施例１における２本のヒータの点灯状態を示す図

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状それらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、この発明の範囲を以下の実施の形態に限定する趣旨のものではない。

図１（ａ）は定着装置１０の概略構成模型図である。
１２は加熱回転体としての定着ベルトである。定着ベルト１２は、厚み２０〜２００μｍ、内径３０ｍｍの円筒状に形成したステンレスの無端状ベルト基層上に、厚み２００〜１０００μｍのシリコーンゴム層（弾性層）を形成している。更に、その上にフッ素樹脂層（最表面層）を被覆してなる。ここで、ベルト基層であるステンレスの熱伝導率は１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、熱容量は４Ｊ／ｍ^２・Ｋ以上である。弾性層であるシリコーンゴムの熱伝導率は１．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、熱容量は１．５Ｊ／ｍ^２・Ｋ以上である。最表層のフッ素樹脂層の熱伝導率は０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以上、熱容量は２．０Ｊ／ｍ^２・Ｋ以上である。

定着ベルト１２の基層にはステンレスの他にポリイミドなどを用いることができるが、ポリイミドよりもステンレスの方が熱伝導率が大きく、より高いオンデマンド性を得ることができるので、本実施例においては、定着ベルトの基層にはステンレスを用いた。

１３は加圧部材としての加圧ローラである。加圧ローラ１３は、外径２０ｍｍのステンレス製の芯金に、射出成形により、厚み１〜１０ｍｍのシリコーンゴム層を形成し、その上にトナー汚染防止用のフッ素樹脂層を被覆してなる。ここで、加圧ローラ１３のシリコーンゴム層の熱伝導率は０．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上、熱容量は１．０Ｊ／ｍ^２・Ｋ以上であり、フッ素樹脂層の熱伝導率は０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以上、熱容量は２．０Ｊ／ｍ^２・Ｋ以上である。この加圧ローラ１３は芯金の両端部を装置フレーム１８の不図示の奥側と手前側の側板間に回転自由に軸受保持させて設置してある。加圧ローラ１３は図示されていない駆動装置によって所定速度で矢印の反時計方向に回転駆動される。

１４は摺動部材としての、半円弧状桶型の耐熱性・剛性を有するベルトガイドである。ベルトガイド１４は、図１（ｂ）のように、ニップ部Ｍを形成する摺動板１４ａを保持している。また、ベルトガイド１４には、ハロゲンヒータ１５ａからの熱がニップ部Ｍを形成する摺動板に伝わりやすくするために、スリットが形成されている。ここで、ニップ部Ｍはベルトガイド１４の両端部を不図示の加圧機構により定着ベルト１２を介して加圧ローラ１３の弾性に抗して所定の加圧力を持って圧接することで形成している。

また、定着ベルト１２はこのベルトガイド１４にルーズに外嵌させてある。

ベルトガイド１４に保持された摺動板１４ａは、ニップ部Ｍにおける温度分布を均一化するための熱伝導性の高い材料、例えば、フッ素樹脂あるいはガラスをコートした金属板が用いられる。金属板の材料は、ステンレス、鉄、アルミニウム、銅、マグネシウムといった金属材料もしくはその合金を用いることがある。

ベルトガイド１４の保持部としては、セラミックなどの耐熱性・剛性を有する部材を用いることができる。また、加圧ローラの加圧に耐え得る機械強度を確保するために、ステンレス、鉄、アルミニウム、銅、マグネシウムといった金属材料もしくはその合金を用いる場合もある。

次に、加圧ローラ１３の回転駆動によって、ニップ部Ｍにおける加圧ローラ１３と定着ベルト１２の外面との間で摩擦力が生じる。定着ベルト１２は、その摩擦力によって回転する。

１５ａおよび１５ｂはそれぞれ、定着ベルト１２に内包した第一の発熱体としてのハロゲンヒータ、及び、第二の発熱体としてのハロゲンヒータである。

本実施例では、ハロゲンヒータ１５ａの定格電力は８００Ｗであり、ハロゲンヒータ１５ｂの定格電力は５００Ｗとして、同時に使用可能な最大電力を１３００Ｗに設定している。

また、ハロゲンヒータ１５ａとハロゲンヒータ１５ｂは、図１（ａ）のようにニップ部Ｍにおける記録材Ｐの搬送方向に対して垂直な方向に縦に並べて配置されている。

ハロゲンヒータ１５ａはニップ部Ｍまでの距離が近い位置に配置されている。

ハロゲンヒータ１５ｂは、ハロゲンヒータ１５ａよりもニップ部Ｍまでの距離が長く、ニップ部Ｍと反対の定着ベルト１２に近い位置に配置されている。
ハロゲンヒータ１５ａから放射された輻射光は主に、ベルトガイド１４と定着ベルト内面のニップ部Ｍ付近の領域（図１（ａ）の領域Ａ）を輻射加熱する。

ハロゲンヒータ１５ｂから放射された輻射光は主に、定着ベルト１２の回転方向のニップ部Ｍの上流側で、且つ、ニップ部Ｍから遠い領域（図１（ａ）の領域Ｂ）を温めるために利用される。

尚、発熱体としては、赤外線を効率よく、かつ、高速に輻射すれば種類は問わず、ハロゲンヒータ以外にもキセノンランプ等を使うことが可能である。本実施例におけるハロゲンヒータ１５ａおよび１５ｂは、波長０．８μｍ以上の赤外線を投入電力の８５％以上の高効率で放射することが可能である。更に、熱容量の小さいタングステンフィラメントを加熱することで輻射するため、高速な立ち上げと応答性を得ることが可能である。また、ハロゲンヒータ１５ａおよび１５ｂの配光は同じであり、通紙領域が均一な光強度になるような配光になっている。

１６は温度検知手段としてのサーミスタである。サーミスタ１６は、定着ベルト１２の表面に弾性的に接触するように配置して、定着ベルト１２の表面温度を検知する。

サーミスタ１６は、制御回路部（ＣＰＵ）に接続されている。制御回路部は、その検知温度が目標温度になるように、電力供給部としてのヒータ駆動回路部によってハロゲンヒータ１５ａおよびハロゲンヒータ１５ｂへの通電を制御する。

尚、定着ベルト１２の温度を検知する代わりに、摺動板１４ａの温度を検知しても良い。

１７と１９は、入り口ガイドと定着排紙ローラである。入り口ガイド１７は、２次転写ニップＮ２を通過した記録材Ｐが、ニップ部Ｍに正確に案内されるように記録材Ｐを導く役割を果たす。本実施例の入り口ガイド１７は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂により形成されている。
（１）定着装置１０の温度制御
本実施例の定着動作について説明する。駆動源（不図示）によって加圧ローラ１３が回転駆動されるのに伴って、定着ベルト１２は従動回転する。そして、ハロゲンヒータ１５ａかつ／または１５ｂに通電が開始され、ウォームアップが開始される。

ウォームアップとは、ハロゲンヒータ１５ａかつ／または１５ｂに通電がなされた後、サーミスタ１６の検知温度が目標温度に到達するまで制御回路部で通電制御することである。

そして、ウォームアップが完了し、未定着のトナー像を担持した記録材Ｐが、入り口ガイド１７に沿ってニップ部Ｍに案内されて、定着が開始される。

上記の記録材Ｐが挟持搬送される時に、ハロゲンヒータ１５ａおよび１５ｂで加熱された定着ベルト１２の熱が記録材Ｐに付与され、記録材Ｐ上の未定着トナー像は記録材Ｐ上に定着される。ニップ部Ｍを通過した記録材Ｐは、定着ベルト１２から曲率分離され、定着排紙ローラ１９によって排出される。

続いて、本実施例における定着装置１０の制御シーケンスについて説明する。

本実施例では、定着ベルト１２の表面の温度を目標温度へ温度調整する際は、オン／オフのみの制御を行っている。また、ハロゲンヒータ１５ａとハロゲンヒータ１５ｂの点灯比率（発熱量の比率）を変更することが可能となっている。

通常、特別な断りがない限り、「点灯比率を下げる＝オフ時間を長くする」とする。例えば、点灯比率が１５ａ：１５ｂ＝２：１に設定されている場合は、制御回路部から通電の指示がなされたとき（オン信号が出されたとき）、図２（ａ）のようにハロゲンヒータ１５ａおよび１５ｂに通電される。本実施例では、図２（ａ）のｔ_１とｔ_２の値を設定することで、通電比率を制御している。このとき、ｔ_１とｔ_２の設定値は、ｔ_１＝１００ｍｓｅｃ，ｔ_２＝１００ｍｓｅｃである。また、ハロゲンヒータ１５ａおよび１５ｂには、独立にオン／オフ信号が出されるように設定されていてもよく、この場合、図２（ｂ）のようにハロゲンヒータ１５ａおよび１５ｂに通電される。

本実施例では、ハロゲンヒータ１５ａとハロゲンヒータ１５ｂの点灯比率は、プロセス速度に応じて、表１のように設定している。

ここで、プロセス速度１／１速とは、記録材Ｐの搬送速度のうち最大のもの（本実施例では１８０ｍｍ／ｓｅｃ）のことである。プロセス速度１／２速、１／３速は各々、９０ｍｍ／ｓｅｃ，８０ｍｍ／ｓｅｃに減速した搬送速度である。

ここで、ウォームアップ時のハロゲンヒータ１５ａとハロゲンヒータ１５ｂの点灯比率について説明する。

ウォームアップ時は、定着装置全体（定着ベルト１２に接するもの）を加熱したほうが熱効率は良く、ウォームアップに要する時間が短くなる。特に、ニップ部Ｍ近傍にはベルトガイド１４などの熱容量が大きいものを設ける場合がある。これらの熱容量の大きいものの加熱が不十分であると、定着ベルト１２を十分に加熱しても、熱容量の大きいものによって熱が奪われてしまうので、ウォームアップに要する時間が長くなる。
よって、ウォームアップ時は、ニップ部Ｍまでの距離が短い位置に配置されているハロゲンヒータ１５ａの点灯比率を大きくしても良い。
前述したことから、ウォームアップ時は、ハロゲンヒータ１５ａとハロゲンヒータ１５ｂの点灯比率は、同等もしくはハロゲンヒータｂよりもハロゲンヒータ１５ａの方が高い設定が良い。

次に、定着時について説明する。本実施例のような弾性層を有する定着ベルト１２を用いた定着装置においては、厚み方向の熱応答性が低下するため、定着ベルト１２の表面まで熱が伝達されるのが遅くなる。

ここで、ハロゲンヒータとの距離が近く、ハロゲンヒータからの輻射熱による温度上昇が大きい定着ベルト１２の領域を「ベルト被加熱領域」と呼ぶことにする。

ハロゲンヒータからの輻射熱によって昇温したベルト被加熱領域は、定着ベルト１２の回転とともに移動する。ベルト被加熱領域がニップ部Ｍまで到達するまでの時間は、プロセス速度に応じて設定される定着ベルト１２の回転速度によって異なる。

そこで、プロセス速度によらず、定着時は、ベルト被加熱領域がニップ部Ｍに到達する直前に、ベルト被加熱領域の熱が定着ベルト表面まで伝達するように設定している。

本実施例では、前述したことを実現するために、プロセス速度に応じてハロゲンヒータ１５ａとハロゲンヒータ１５ｂの点灯比率（発熱量の比率）を変える。その方法を説明する。

ハロゲンヒータ１５ａの主な加熱領域は、定着ベルト１２のニップ部Ｍ近傍の領域（図１の領域Ａ）である。また、ハロゲンヒータ１５ｂの主な加熱領域は、定着ベルト１２の回転方向のニップ部Ｍの上流側で、且つ、ニップ部Ｍから距離が長い領域（図１の領域Ｂ）である。

１／１速などのプロセス速度が大きい時の定着処理モード（第一の定着処理モード）の場合には、ハロゲンヒータ１５ｂの点灯比率を大きくして、主な加熱領域を図１（ａ）の領域Ｂとする。なぜなら、第一の定着処理モードでは、定着ベルト１２の回転速度が大きいので、ベルト被加熱領域がニップ部Ｍに到達するまでの時間をより長くする必要があるためである。

一方、１／３速などのプロセス速度が小さい時の定着処理モード（第二の定着処理モード）の場合は、ハロゲンヒータ１５ａの点灯比率を大きくして、主な加熱領域を図１（ａ）の領域Ａとする。なぜなら、第二の定着処理モードの場合は、定着ベルト１２の回転速度が小さいので、ベルト被加熱領域がニップ部Ｍに到達するまでに放熱してしまわないように、ニップ部Ｍに近い領域を加熱する必要があるためである。

前述したことから、第二の定着時処理モードよりも第一の定着処理モードの方が、ハロゲンヒータ１５ｂに対するハロゲンヒータ１５ａの点灯比率を小さくすることで、熱効率が向上し、定着性も向上する。

よって、本実施例によると、弾性層を有した定着ベルトを備えた定着装置において、オンデマンド化と定着性を両立することができる。

尚、本実施例では、定着ベルト１２に内包した発熱体として２つのハロゲンヒータで説明したが、発熱体の数は２つに限られるものではなく、複数であれば良い。

１０定着装置
１２定着ベルト
１３加圧ローラ
１４ベルトガイド
１５ａ，１５ｂハロゲンヒータ
１６サーミスタ
１７入り口ガイド
１８装置フレーム
１９定着排紙ローラ
２０反射板
Ｎ１転写部
Ｎ２２次転写部
Ｍニップ部
Ｐ記録材
Ｔ未定着トナー画像

Claims

複数の発熱体と、前記複数の発熱体を内包し前記複数の発熱体で加熱される加熱回転体と、前記加熱回転体が回転することで前記加熱回転体の内面と摺動する摺動部材と、前記加熱回転体を介して前記摺動部材と圧接してニップ部を形成する加圧部材と、前記加熱回転体又は前記摺動部材の温度を検知する温度検知手段と、前記温度検知手段の検知温度が目標温度になるように前記複数の発熱体の発熱量を制御する制御手段と、を有し、前記ニップ部で記録材を挟持搬送し加熱することで記録材上のトナーを記録材に定着する定着装置において、
前記複数の発熱体として、前記ニップ部に近い位置に配置された第一の発熱体と、前記ニップ部までの距離が前記第一の発熱体よりも長い位置に配置された第二の発熱体を有し、
記録材の前記ニップ部での搬送速度が異なるモードとして、第一の定着処理モードと、前記第一の定着処理モードよりも搬送速度が小さい第二の定着処理モードを有し、
前記第二の定着処理モードの時よりも前記第一の定着処理モードの時の方が、定着時において、前記第二の発熱体の発熱量に対する前記第一の発熱体の発熱量の比率が小さい設定で前記制御手段が制御することを特徴とする定着装置。