以下、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の実施の形態を説明するための各図面において、同一の機能もしくは形状を有する部材や構成部品等の構成要素については、判別が可能な限り同一符号を付すことにより一度説明した後ではその説明を省略する。
まず、図1を参照して、本発明の実施の一形態に係る画像形成装置の全体構成及び動作について説明する。
図1に示す画像形成装置1は、カラーレーザープリンタであり、その装置本体の中央には、4つの作像部4Y,4M,4C,4Kが設けられている。各作像部4Y,4M,4C,4Kは、カラー画像の色分解成分に対応するイエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(K)の異なる色の現像剤を収容している以外は同様の構成となっている。
具体的に、各作像部4Y,4M,4C,4Kは、潜像担持体としてのドラム状の感光体5と、感光体5の表面を帯電させる帯電装置6と、感光体5の表面にトナーを供給する現像装置7と、感光体5の表面をクリーニングするクリーニング装置8などを備える。なお、図1では、ブラックの作像部4Kが備える感光体5、帯電装置6、現像装置7、クリーニング装置8のみに符号を付しており、その他の作像部4Y,4M,4Cにおいては符号を省略している。
各作像部4Y,4M,4C,4Kの下方には、感光体5の表面を露光する露光装置9が配設されている。露光装置9は、光源、ポリゴンミラー、f−θレンズ、反射ミラー等を有し、画像データに基づいて各感光体5の表面へレーザー光を照射するようになっている。
各作像部4Y,4M,4C,4Kの上方には、転写装置3が配設されている。転写装置3は、転写体としての中間転写ベルト30と、一次転写手段としての4つの一次転写ローラ31と、二次転写手段としての二次転写ローラ36と、二次転写バックアップローラ32と、クリーニングバックアップローラ33と、テンションローラ34、ベルトクリーニング装置35を備える。
中間転写ベルト30は、無端状のベルトであり、二次転写バックアップローラ32、クリーニングバックアップローラ33及びテンションローラ34によって張架されている。ここでは、二次転写バックアップローラ32が回転駆動することによって、中間転写ベルト30は図の矢印で示す方向に周回走行(回転)するようになっている。
4つの一次転写ローラ31は、それぞれ、各感光体5との間で中間転写ベルト30を挟み込んで一次転写ニップを形成している。また、各一次転写ローラ31には、図示しない電源が接続されており、所定の直流電圧(DC)及び/又は交流電圧(AC)が各一次転写ローラ31に印加されるようになっている。
二次転写ローラ36は、二次転写バックアップローラ32との間で中間転写ベルト30を挟み込んで二次転写ニップを形成している。また、一次転写ローラ31と同様に、二次転写ローラ36にも図示しない電源が接続されており、所定の直流電圧(DC)及び/又は交流電圧(AC)が二次転写ローラ36に印加されるようになっている。
ベルトクリーニング装置35は、中間転写ベルト30に当接するように配設されたクリーニングブラシとクリーニングブレードを有する。このベルトクリーニング装置35から伸びた図示しない廃トナー移送ホースは、図示しない廃トナー収容器の入り口部に接続されている。
プリンタ本体の上部には、ボトル収容部2が設けられており、ボトル収容部2には補給用のトナーを収容した4つのトナーボトル2Y,2M,2C,2Kが着脱可能に装着されている。各トナーボトル2Y,2M,2C,2Kと上記各現像装置7との間には、図示しない補給路が設けてあり、この補給路を介して各トナーボトル2Y,2M,2C,2Kから各現像装置7へトナーが補給されるようになっている。
一方、プリンタ本体の下部には、記録媒体としての用紙Pを収容した給紙トレイ10や、給紙トレイ10から用紙Pを搬出する給紙ローラ11等が設けてある。ここで、記録媒体には、普通紙以外に、厚紙、はがき、封筒、薄紙、塗工紙(コート紙やアート紙等)、トレーシングペーパ、OHPシート等が含まれる。また、図示しないが、手差し給紙機構が設けてあってもよい。
プリンタ本体内には、用紙Pを給紙トレイ10から二次転写ニップを通過させて装置外へ排出するための搬送路Rが配設されている。搬送路Rにおいて、二次転写ローラ36の位置よりも用紙搬送方向上流側には、二次転写ニップへ用紙Pを搬送する搬送手段としての一対のレジストローラ12が配設されている。
また、二次転写ローラ36の位置よりも用紙搬送方向下流側には、用紙Pに転写された未定着画像を定着するための定着装置20が配設されている。さらに、定着装置20よりも搬送路Rの用紙搬送方向下流側には、用紙を装置外へ排出するための一対の排紙ローラ13が設けられている。また、プリンタ本体の上面部には、装置外に排出された用紙をストックするための排紙トレイ14が設けてある。
続いて、図1を参照して、本実施形態に係るプリンタの基本的動作について説明する。
作像動作が開始されると、各作像部4Y,4M,4C,4Kにおける各感光体5が図示しない駆動装置によって図の時計回りに回転駆動され、各感光体5の表面が帯電装置6によって所定の極性に一様に帯電される。帯電された各感光体5の表面には、露光装置9からレーザー光がそれぞれ照射されて、各感光体5の表面に静電潜像が形成される。このとき、各感光体5に露光する画像情報は所望のフルカラー画像をイエロー、マゼンタ、シアン及びブラックの色情報に分解した単色の画像情報である。このように各感光体5上に形成された静電潜像に、各現像装置7によってトナーが供給されることにより、静電潜像はトナー画像として顕像化(可視像化)される。
また、作像動作が開始されると、二次転写バックアップローラ32が図の反時計回りに回転駆動し、中間転写ベルト30を図の矢印で示す方向に周回走行させる。そして、各一次転写ローラ31に、トナーの帯電極性と逆極性の定電圧又は定電流制御された電圧が印加される。これにより、各一次転写ローラ31と各感光体5との間の一次転写ニップにおいて転写電界が形成される。
その後、各感光体5の回転に伴い、感光体5上の各色のトナー画像が一次転写ニップに達したときに、上記一次転写ニップにおいて形成された転写電界によって、各感光体5上のトナー画像が中間転写ベルト30上に順次重ね合わせて転写される。かくして中間転写ベルト30の表面にフルカラーのトナー画像が担持される。また、中間転写ベルト30に転写しきれなかった各感光体5上のトナーは、クリーニング装置8によって除去される。その後、図示しない除電装置によって各感光体5の表面が除電され、表面電位が初期化される。
画像形成装置の下部では、給紙ローラ11が回転駆動を開始し、給紙トレイ10から用紙Pが搬送路Rに送り出される。搬送路Rに送り出された用紙Pは、レジストローラ12によってタイミングを計られて、二次転写ローラ36と二次転写バックアップローラ32との間の二次転写ニップに送られる。このとき二次転写ローラ36には、中間転写ベルト30上のトナー画像のトナー帯電極性と逆極性の転写電圧が印加されており、これにより、二次転写ニップに転写電界が形成されている。
その後、中間転写ベルト30の周回走行に伴って、中間転写ベルト30上のトナー画像が二次転写ニップに達したときに、上記二次転写ニップにおいて形成された転写電界によって、中間転写ベルト30上のトナー画像が用紙P上に一括して転写される。また、このとき用紙Pに転写しきれなかった中間転写ベルト30上の残留トナーは、ベルトクリーニング装置35によって除去され、除去されたトナーは図示しない廃トナー収容器へと搬送され回収される。
その後、用紙Pは定着装置20へと搬送され、定着装置20によって用紙P上のトナー画像が当該用紙Pに定着される。そして、用紙Pは、排紙ローラ13によって装置外へ排出され、排紙トレイ14上にストックされる。
以上の説明は、用紙上にフルカラー画像を形成するときの画像形成動作であるが、4つの作像部4Y,4M,4C,4Kのいずれか1つを使用して単色画像を形成したり、2つ又は3つの作像部を使用して、2色又は3色の画像を形成したりすることも可能である。
次に、図2に基づき、上記定着装置20の基本構成について説明する。
図2に示すように、定着装置20は、回転可能な定着回転体としての定着ベルト21と、定着ベルト21に対向して回転可能に設けられた対向回転体としての加圧ローラ22と、定着ベルト21を輻射熱で加熱する加熱源としての2本のハロゲンヒータ23と、定着ベルト21の内側に配設されたニップ形成部材24と、ニップ形成部材24を支持する支持部材としてのステー25と、各ハロゲンヒータ23から放射される光(輻射熱)を定着ベルト21へ反射する反射部材26と、定着ベルト21の温度を検知する温度検知手段としてのサーモパイル27と、加圧ローラ22の温度を検知する温度検知手段としてのサーミスタ29と、定着ベルト21から用紙を分離する分離部材28と、加圧ローラ22を定着ベルト21へ加圧する図示しない加圧手段等を備えている。
上記定着ベルト21は、薄肉で可撓性を有する無端状のベルト部材(フィルムも含む)で構成されている。詳しくは、定着ベルト21は、ニッケルもしくはSUS等の金属材料又はポリイミド(PI)などの樹脂材料で形成された内周側の基材と、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)又はポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などで形成された外周側の離型層によって構成されている。また、基材と離型層との間に、シリコーンゴム、発泡性シリコーンゴム、又はフッ素ゴム等のゴム材料で形成された弾性層を介在させてもよい。
上記加圧ローラ22は、芯金22aと、芯金22aの表面に設けられた発泡性シリコーンゴム、シリコーンゴム、又はフッ素ゴム等から成る弾性層22bと、弾性層22の表面に設けられたPFA又はPTFE等から成る離型層22cによって構成されている。加圧ローラ22は、図示しない加圧手段によって定着ベルト21側へ加圧され定着ベルト21を介してニップ形成部材24に当接している。この加圧ローラ22と定着ベルト21とが圧接する箇所では、加圧ローラ22の弾性層22bが押しつぶされることで、所定の幅のニップ部Nが形成されている。また、加圧ローラ22は、プリンタ本体に設けられた図示しないモータ等の駆動源によって回転駆動するように構成されている。加圧ローラ22が回転駆動すると、その駆動力がニップ部Nで定着ベルト21に伝達され、定着ベルト21が従動回転するようになっている。
本実施形態では、加圧ローラ22を中空のローラとしているが、中実のローラであってもよい。また、加圧ローラ22の内部にハロゲンヒータ等の加熱源を配設してもよい。また、弾性層が無い場合は、熱容量が小さくなり定着性が向上するが、未定着トナーを押しつぶして定着させるときにベルト表面の微小な凹凸が画像に転写されて画像のベタ部に光沢ムラが生じる可能性がある。これを防止するには、厚さ100μm以上の弾性層を設けることが望ましい。厚さ100μm以上の弾性層を設けることで、弾性層の弾性変形により微小な凹凸を吸収することができるので、光沢ムラの発生を回避することができるようになる。弾性層22bはソリッドゴムでもよいが、加圧ローラ22の内部に加熱源が無い場合は、スポンジゴムを用いてもよい。スポンジゴムの方が、断熱性が高まり定着ベルト21の熱が奪われにくくなるのでより望ましい。また、定着回転体と対向回転体は、互いに圧接する場合に限らず、加圧を行わず単に接触させるだけの構成とすることも可能である。
上記各ハロゲンヒータ23は、それぞれの両端部が定着装置20の側板(不図示)に固定されている。各ハロゲンヒータ23は、プリンタ本体に設けられた電源部により出力制御されて発熱するように構成されており、その出力制御は、上記サーモパイル27による定着ベルト21の表面温度の検知結果に基づいて行われる。このようなヒータ23の出力制御によって、定着ベルト21の温度(定着温度)を所望の温度に設定できるようになっている。
上記ニップ形成部材24は、ベースパッド241と、ベースパッド241の表面に設けられた摺動シート(低摩擦シート)240とを有する。ベースパッド241は、定着ベルト21の軸方向又は加圧ローラ22の軸方向に渡って連続して長手状に配設されており、加圧ローラ22の加圧力を受けてニップ部Nの形状を決めるものである。また、ベースパッド241は、ステー25によって固定支持されている。これにより、加圧ローラ22による圧力でニップ形成部材24に撓みが生じるのを防止し、加圧ローラ22の軸方向に渡って均一なニップ幅が得られるようにしている。なお、ステー25は、ニップ形成部材24の撓み防止機能を満足するために、ステンレスや鉄等の機械的強度が高い金属材料で形成することが望ましい。また、ベースパッド241も、強度確保のためにある程度硬い材料で構成されていることが望ましい。ベースパッド241の材料としては、液晶ポリマー(LCP)等の樹脂や、金属、あるいはセラミックなどを適用することができる。
また、ベースパッド241は、耐熱温度200℃以上の耐熱性部材で構成されている。これにより、トナー定着温度域で、熱によるニップ形成部材24の変形を防止し、安定したニップ部Nの状態を確保して、出力画質の安定化を図っている。ベースパッド241には、ポリエーテルサルフォン(PES)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、液晶ポリマー(LCP)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などの一般的な耐熱性樹脂を用いることが可能である。
摺動シート240は、ベースパッド241の少なくとも定着ベルト21と対向する表面に配設されていればよい。これにより、定着ベルト21が回転する際、この低摩擦シートに対し定着ベルト21が摺動することで、定着ベルト21に生じる駆動トルクが低減され、定着ベルト21への摩擦力による負荷が軽減される。なお、摺動シートを有しない構成とすることも可能である。
上記反射部材26は、ステー25とハロゲンヒータ23との間に配設されている。反射部材26の材料としては、アルミニウムやステンレス等が挙げられる。このように反射部材26を配設していることにより、ハロゲンヒータ23からステー25側に放射された光が定着ベルト21へ反射される。これにより、定着ベルト21に照射される光量を多くすることができ、定着ベルト21を効率良く加熱することが可能となる。また、ハロゲンヒータ23からの輻射熱がステー25等に伝達されるのを抑制することができるので、省エネルギー化も図れる。
また、本実施形態に係る定着装置20は、さらなる省エネ性及びファーストプリントタイムなどの向上のために、種々の構成上の工夫が施されている。
具体的には、ハロゲンヒータ23によって定着ベルト21をニップ部N以外の箇所において直接加熱できるようにしている(直接加熱方式)。本実施形態では、ハロゲンヒータ23と定着ベルト21の図2の左側の部分の間に何も介在させないようにし、その部分においてハロゲンヒータ23からの輻射熱を定着ベルト21に直接与えるようにしている。
また、定着ベルト21の低熱容量化を図るために、定着ベルト21を薄くかつ小径化している。具体的には、定着ベルト21を構成する基材、弾性層、離型層のそれぞれの厚さを、20〜50μm、100〜300μm、10〜50μmの範囲に設定し、全体としての厚さを1mm以下に設定している。また、定着ベルト21の直径は、20〜40mmに設定している。さらに低熱容量化を図るためには、望ましくは、定着ベルト21全体の厚さを0.2mm以下にするのがよく、さらに望ましくは、0.16mm以下の厚さとするのがよい。また、定着ベルト21の直径は、30mm以下とするのが望ましい。
なお、本実施形態では、加圧ローラ22の直径を20〜40mmに設定しており、定着ベルト21の直径と加圧ローラ22の直径を同等となるように構成している。ただし、この構成に限定されるものではない。例えば、定着ベルト21の直径が加圧ローラ22の直径よりも小さくなるように形成してもよい。その場合、ニップ部Nにおける定着ベルト21の曲率が加圧ローラ22の曲率よりも小さくなるため、ニップ部Nから排出される記録媒体が定着ベルト21から分離されやすくなる。
また、上記のように、定着ベルト21を小径化した結果、定着ベルト21の内側のスペースが小さくなるが、本実施形態では、ステー25を両端側において折り曲げられた凹状に形成し、その凹状に形成した部分の内側にハロゲンヒータ23を収容することで、小さいスペース内でもステー25やハロゲンヒータ23の配設を可能にしている。
また、小さいスペース内でもステー25をできるだけ大きく配設するために、ニップ形成部材24を反対にコンパクトに形成している。具体的には、ベースパッド241の用紙搬送方向の幅を、ステー25の用紙搬送方向の幅よりも小さく形成している。さらに、図2において、ベースパッド241の用紙搬送方向上流側端部24a及び下流側端部24bにおけるそれぞれのニップ部N(又はその仮想延長線E)に対する高さをh1,h2とし、上流側端部24a及び下流側端部24b以外のベースパッド241の部分におけるニップ部N(又はその仮想延長線E)に対する最大高さをh3とすると、h1≦h3、h2≦h3となるように構成している。このように構成することで、ベースパッド241の上流側端部24aと下流側端部24bは、ステー25の用紙搬送方向上流側及び下流側の各折り曲げ部と定着ベルト21との間に介在しないので、各折り曲げ部を定着ベルト21の内周面に近づけて配設することができる。これにより、定着ベルト21内の限られたスペース内でステー25をできるだけ大きく配設できるようになり、ステー25の強度を確保することができるようになる。その結果、加圧ローラ22によるニップ形成部材24の撓みを防止でき、定着性の向上を図れる。
さらにステー25の強度を確保するために、本実施形態では、ステー25が、ニップ形成部材24と接触し用紙搬送方向(図2の上下方向)に延在するベース部25aと、そのベース部25aの用紙搬送方向上流側と下流側の各端部から加圧ローラ22の当接方向(図2の左側)に向かって延びる立ち上がり部25bとを有するように構成している。すなわち、ステー25に立ち上がり部25bを設けることで、ステー25が加圧ローラ22の加圧方向に延在する横長の断面を有するようになり、断面係数が大きくなって、ステー25の機械的強度を向上させることが可能となる。
また、立ち上がり部25bを加圧ローラ22の当接方向により長く形成する方が、ステー25の強度が向上する。従って、立ち上がり部25bの先端は、定着ベルト21の内周面に対し、できる限り近接していることが望ましい。しかし、回転中、定着ベルト21には大小なりとも振れ(挙動の乱れ)が生じるので、立ち上がり部25bの先端を定着ベルト21の内周面に近づけすぎると、定着ベルト21が立ち上がり部25bの先端に接触する虞がある。特に、本実施形態のように、薄い定着ベルト21を用いている構成においては、定着ベルト21の振れ幅が大きいので、立ち上がり部25bの先端の位置設定には注意が必要である。
具体的に、本実施形態の場合、立ち上がり部25bの先端と定着ベルト21の内周面との加圧ローラ22の当接方向の距離dは、少なくとも2.0mm、望ましくは3.0mm以上に設定するのが好ましい。一方、定着ベルト21にある程度厚みがあって振れがほとんど無い場合は、上記距離dは0.02mmに設定することが可能である。
このように、立ち上がり部25bの先端を定着ベルト21の内周面に対し可能な限り近接するように配設することで、立ち上がり部25bを加圧ローラ22の当接方向に長く配設することができる。これにより、小径の定着ベルト21を用いた構成においても、ステー25の機械的強度を向上させることが可能となる。
図3は、定着ベルトの端部の構成を示す図である。同図中、(a)は斜視図、(b)は平面図、(c)は定着ベルトの回転軸方向から見た側面図を示す。なお、図3の(a)〜(c)では、片側の端部の構成のみを図示しているが、反対側の端部も同様の構成となっているので、以下、図3に基づき片側の端部の構成についてのみ説明する。
図3の(a)又は(b)に示すように、定着ベルト21の端部にはベルト保持部材40が挿入されており、このベルト保持部材40によって定着ベルト21の端部は回転可能に保持されている。図3の(c)に示すように、ベルト保持部材40はニップ部の位置(ニップ形成部材24を配設した位置)で開口したC字形に形成されている。また、上記ステー25の端部は、このベルト保持部材40に固定され位置決めされている。
また、図3の(a)又は(b)に示すように、定着ベルト21の端面とそれに対向するベルト保持部材40の対向面との間には、定着ベルト21の端部を保護する保護部材としてのスリップリング41が設けられている。これにより、定着ベルト21に軸方向の寄りが生じた場合に、定着ベルト21の端部がベルト保持部材40に直接当接するのを防止することができ、端部の摩耗や破損を防ぐことができる。また、スリップリング41は、ベルト保持部材40に外周に対し余裕を持って嵌められている。このため、定着ベルト21の端部がスリップリング41に接触した際に、スリップリング41は定着ベルト21と連れ回り可能となっているが、スリップリング41が連れ回りせず、静止していても構わない。スリップリング41の材料としては、耐熱性に優れたいわゆるスーパーエンプラ、例えば、PEEK、PPS、PAI、PTFE等を適用することが好ましい。
なお、図示省略するが、定着ベルト21の軸方向両端部には、定着ベルト21と各ハロゲンヒータ23との間に、ハロゲンヒータ23からの熱を遮蔽する端部遮蔽部材を配設している。これにより、特に、連続通紙時の定着ベルトの非通紙領域における過剰な温度上昇を抑制することができ、定着ベルトの熱による劣化や損傷を防止することができる。
以下、図2を参照しつつ、本実施形態に係る定着装置の基本動作について説明する。
プリンタ本体の電源スイッチが投入されると、ハロゲンヒータ23に電力が供給されると共に、加圧ローラ22が図2中の時計回りに回転駆動を開始する。これにより、定着ベルト21は、加圧ローラ22との摩擦力によって、図2中の反時計回りに従動回転する。
その後、上述の画像形成工程により未定着のトナー画像Tが担持された用紙Pが、ガイド板37に案内されながら図2の矢印A1方向に搬送されて、圧接状態にある定着ベルト21及び加圧ローラ22のニップ部Nに送入される。そして、ハロゲンヒータ23によって加熱された定着ベルト21による熱と、定着ベルト21と加圧ローラ22との間の加圧力とによって、用紙Pの表面にトナー画像Tが定着される。
トナー画像Tが定着された用紙Pは、ニップ部Nから図2中の矢印A2方向に搬出される。このとき、用紙Pの先端が分離部材28の先端に接触することにより、用紙Pが定着ベルト21から分離される。その後、分離された用紙Pは、上述のように、排紙ローラによって機外に排出され、排紙トレイにストックされる。
ここで、図4を参照しつつ、定着装置の温度制御の一例について説明する。
図4において、(a)は印刷動作前後における定着ベルトの温度変化を示し、(b)はそのときのハロゲンヒータへの供給電力を示している。
ユーザーから印刷要求を受けると、図4(b)に示すように、ハロゲンヒータへの電力供給が開始され、ウォームアップ動作が開始される。これにより、図4(a)に示すように、定着ベルトの温度が上昇する。サーモパイルにより検知された定着ベルトの温度が、図4(a)に示す印刷目標温度に到達し、しばらく経過すると、未定着画像を担持した用紙がニップ部へ搬送され、熱と圧力によって未定着画像の定着が行われる。ここで、用紙がニップ部へ進入すると、用紙によって定着ベルトの熱が奪われるため、定着ベルトの温度が低下する。これを抑えるために、サーモパイルの検知温度と目標温度の情報に基づいてハロゲンヒータへの供給電力を調整し、一定の温度となるように制御するようにしている。また、印刷目標温度は、用紙の坪量や環境の温度・湿度などにより適切に定着されるように調整されている。例えば、用紙の坪量が70g/m2、温度23℃、湿度50%の場合は、印刷目標温度を160℃に設定し、用紙の坪量が100g/m2、温度10℃、湿度30%の場合は、印刷目標温度を180℃などに設定する。
印刷が終了し、最終の用紙がニップ部から排出された後は、定着装置の駆動を停止し、次の印刷に備えて保温過熱状態となる、いわゆる待機状態に移行する。この待機状態での定着ベルトの目標温度を図4(a)に示す待機目標温度とし、待機目標温度は印刷目標温度よりも低く設定されていることが多い。さらに、近年は、省エネ性を向上させるために、所定時間経過しても次の印刷の要求が無かった場合に完全にハロゲンヒータへの通電を切る、いわゆるスリープ状態へ移行することもある。
印刷動作が終了すると、ハロゲンヒータへの通電は停止される。しかしながら、ハロゲンヒータ周辺の加熱空気の熱が定着ベルトに伝達されることで、図4(a)に示すように、印刷終了後に定着ベルトの温度が大きく上昇するオーバーシュートが発生することがある。
このオーバーシュートについて詳しく説明すると、印刷動作中は、定着ベルトの熱が用紙に伝達されるため、ハロゲンヒータから供給される熱と用紙に消費される熱とのバランスが保たれている。しかし、印刷動作が終了すると、用紙に消費される熱が不要になるので、過剰となった熱の逃げ場が少なくなり、定着ベルト内に熱が集中する。加えて、定着ベルト21内にハロゲンヒータ23があるので、ハロゲンヒータ23周辺の加熱空気が外部に拡散しにくく、ベルトの内周面が加熱されやすい状況にある。このため、印刷動作が終了し、定着ベルトの回転が停止されると、ハロゲンヒータ周辺の加熱空気によって定着ベルトが局部的に加熱される。その結果、定着ベルトの温度が大きく上昇するオーバーシュートが発生する。
特に、本実施形態のように、凹状に形成された反射部材26の内側にハロゲンヒータ23を配設することによって、反射部材26の開口部側に輻射熱を集中させる構成では、印刷終了時にハロゲンヒータ23自身の保有する熱量が開口部から対流放出されるため、定着ベルト21が局部的に温度上昇しやすい。
そして、このような定着ベルトの局部的な温度上昇が生じると、定着ベルトが熱応力により変形したり、定着ベルトの温度が耐熱温度を超えて破損したりする虞がある。また、定着ベルトの温度が耐熱温度を超えないまでも、局部的な加熱による変形が繰り返し生じることにより、定着ベルトの寿命を縮めることになってしまう。
このオーバーシュートを回避する方法としては、印刷終了後、ハロゲンヒータへの通電を停止した状態で、定着ベルトの回転駆動をしばらくの間継続させることにより、定着ベルトの放熱や熱拡散を行う方法がある。しかし、この方法では、定着ベルトの回転駆動を継続させることによる騒音の問題や、余計な消費電力を発生させるといった問題がある。さらに、定着ベルトの駆動時間が増えることで、定着ベルトの摩耗が促進され、定着ベルトの寿命を縮めることにもなる。
そこで、本実施形態では、以下のようにして、オーバーシュートを抑制するようにしている。
以下、図5及び図6を参照しつつ、本実施形態の特徴部分について説明する。
本実施形態に係る定着装置20は、定着ベルト21の内側に、ハロゲンヒータ23から定着ベルト21への輻射熱を遮蔽する遮蔽部材60を備える。遮蔽部材60は、定着ベルト21の内周面に沿って円弧状に形成されており、ハロゲンヒータ23の発熱部が配設された範囲に対応して定着ベルト21の軸方向に連続して配設されている。また、遮蔽部材60は、図示しない駆動源と制御部とによって定着ベルト21の周方向に移動可能に構成されている。具体的には、図6に示すように、定着ベルト21の直接加熱される領域Qとハロゲンヒータ23との間に遮蔽部材60を配設した遮蔽位置と、図5に示すように、前記遮蔽位置から遮蔽部材60を退避させた退避位置との間で、遮蔽部材60を移動可能に構成している。
印刷動作を行うとき(ハロゲンヒータ加熱時)は、遮蔽部材60を図5に示す退避位置に移動させ、ハロゲンヒータ23からの輻射熱を遮蔽部材60によって遮蔽しないようにする。一方、印刷動作が終了したとき(ハロゲンヒータの加熱停止時)は、遮蔽部材60を図6に示す遮蔽位置に移動させ、遮蔽部材60によってハロゲンヒータ23周辺の加熱空気Hが定着ベルト21に直接当たるのを軽減する。これにより、印刷動作終了後に、定着ベルト21が加熱空気Hによって加熱されることによる局部的な温度上昇を抑制することができ、定着ベルトの変形や損傷、劣化を抑制することが可能となる。
なお、遮蔽部材60は、ハロゲンヒータ23からの光又は輻射熱を完全に遮るものに限らず、遮蔽部材の材質又は構造等により光又は輻射熱の一部を透過し一部を遮るものであってもよい。
また、印刷動作が終了するたびに毎回、遮蔽部材60を遮蔽位置に移動させてもよいが、必ずしもそうしなければいけないというわけではない。なぜなら、印刷動作中にどれだけ定着装置内に蓄熱されたかによって、印刷動作終了後のオーバーシュートの大きさは異なり、その大きさによっては、定着ベルト21の変形や損傷、劣化が起きるほど事態に至らない場合もあるからである。従って、定着ベルト21の変形や損傷等が起きない程度のオーバーシュートであれば、遮蔽部材60を遮蔽位置に移動させなくてもよい。そればかりか、輻射熱を遮蔽する必要がない場合は、遮蔽部材60を遮蔽位置に移動させない方が、ハロゲンヒータ23周辺の加熱空気Hによって定着ベルト21に蓄熱でき、かえって省エネとなる。また、定着ベルト21に蓄熱がされていると、次の印刷時のウォームアップ動作が不要となるため、ユーザーから印刷要求を受けてから印刷が開始されるまでの時間(ファーストプリントタイム)が短くなるメリットもある。
そのため、予め実験などで、定着ベルト21に変形や損傷等が起きるほどのオーバーシュートが生じるか否かを把握しておき、必要な場合にのみ、遮蔽部材60を遮蔽位置に移動させることが有効である。印刷動作終了後のオーバーシュート量は、例えば、印刷動作終了直前の連続印刷枚数(連続定着枚数)や、使用された用紙の坪量によって異なるので、これらの関係を調べることにより、定着ベルト21に変形や損傷等が起きるほどのオーバーシュートが生じるか否かを把握することが可能である。
図7は、本実施形態における印刷動作終了後のオーバーシュート量と、印刷動作終了直前の連続印刷枚数と、用紙の坪量との関係を示す図である。
図7において、丸印でプロットした点を繋いだ線は、坪量70g/cm2の用紙を使用した場合の連続印刷枚数ごとのオーバーシュート量を示し、菱形印でプロットした点を繋いだ線は、坪量100g/cm2の用紙を使用した場合の連続印刷枚数ごとのオーバーシュート量を示している。
図7に示すように、坪量70g/cm2と坪量100g/cm2のいずれの場合も、連続印刷枚数が多いほど、印刷動作終了後のオーバーシュート量が大きくなる。また、同じ連続印刷枚数であっても、坪量が大きいほど、印刷動作終了後のオーバーシュート量が大きくなる。これは、連続印刷枚数が多くなるほど、又は用紙の坪量が大きくなるほど、印刷動作中に定着ベルトに蓄えられる熱量が大きくなるからである。
本実施形態において、定着ベルトの耐熱温度が200℃であるとすると、定着ベルトのオーバーシュート量が少なくとも200℃を超える条件のときに、遮蔽部材60を遮蔽位置へ移動させる必要がある。ここでは、図7に示す関係から、坪量70g/cm2の用紙を使用した場合は、144枚以上連続印刷するとオーバーシュート量が200℃以上となることが分かっているため、余裕を持って、130枚以上連続印刷した場合に、遮蔽部材60を遮蔽位置に移動させる。一方、坪量70g/cm2の用紙を使用した場合、連続印刷枚数が130枚未満であれば、耐熱温度を超えるほどのオーバーシュートは生じないので、遮蔽部材60を遮蔽位置に移動させない。同様に、坪量100g/cm2の用紙を使用した場合は、62枚以上連続印刷するとオーバーシュート量が200℃以上となることが分かっているため、余裕を持って、50枚以上連続印刷した場合に、遮蔽部材60を遮蔽位置に移動させる。
このように、オーバーシュートが定着ベルトの耐熱温度を超えると予想されるときのみ遮蔽部材60を遮蔽位置に移動させることで、定着ベルトの変形や損傷、劣化を抑制しつつ、省エネ性の向上、ファーストプリントタイムの短縮を図ることが可能となる。
なお、この場合の遮蔽部材60を遮蔽位置に移動させる(又は、移動させない)と判断するための基準となる連続印刷枚数(所定の基準枚数)は、あくまでも一例であるので、用紙の坪量や定着装置の性能等に応じて適宜変更して設定すればよい。
上述の方法は、連続印刷枚数と用紙の坪量から予想されるオーバーシュート量を事前に把握しておき、その予想に基づき遮蔽部材60の移動を制御する方法であるが、これらの条件以外に、例えば、ユーザーによる画像形成装置の使用履歴によっても、定着ベルトの蓄熱量は異なる。また、同じ連続印刷枚数で、同じ坪量の用紙を使用しても、使用環境の温度や湿度が異なれば、定着ベルトの蓄熱量も異なってくる。ただし、定着ベルトの蓄熱量を最も支配する因子は、先に述べた連続印刷枚数と用紙の坪量であるので、使用環境の温度や湿度、使用履歴に基づいて、遮蔽部材60の制御条件を細かく設定しなくても、十分な省エネ及びファーストプリントタイムの短縮効果が得られる。このため、使用環境の温度や湿度、使用履歴については、それらによって最もオーバーシュート量が大きくなる条件を見積もって遮蔽部材60の制御条件を設定しておけばよい。
また、上記サーモパイル27によって検知した定着ベルトの温度に基づき、遮蔽部材60の移動を制御するようにしてもよい。本実施形態では、定着ベルトの耐熱温度が200℃であることから、ハロゲンヒータの加熱停止時に、定着ベルトの温度が所定の基準温度、例えば180℃以上となった場合に、遮蔽部材60を遮蔽位置に移動させることで、定着ベルトの変形や損傷、劣化を抑制することができる。一方、ハロゲンヒータの加熱停止時に、定着ベルトの温度が180℃未満であった場合は、遮蔽部材60を遮蔽位置に移動させないようにすることで、省エネ性の向上、ファーストプリントタイムの短縮を図ることができる。また、この場合は、遮蔽部材60の制御を定着ベルトの温度に基づいて管理することで、遮蔽部材60を遮蔽位置に移動させるか否か(定着ベルトの変形や劣化等が起こるほどのオーバーシュートが発生するか否か)をより直接的に判断することが可能となる。
また、オーバーシュート量を把握する方法としては、上述の方法に留まらず、例えば、印刷動作中のハロゲンヒータの点灯率で把握したり、定着ベルト内にサーミスタ等の温度検知手段を配設して雰囲気温度を測定することにより把握したりすることも可能である。いずれの場合も、適切に遮蔽部材60の制御を行い、余計な遮蔽を行わないようにすることで、定着ベルトの変形や損傷、劣化を抑制しつつ、省エネ性の向上、ファーストプリントタイムの短縮を図ることが可能となる。
図8は、本発明の他の実施形態に係る定着装置の概略構成図である。
図8に示す実施形態では、上記実施形態とは異なり、定着ベルト21と加圧ローラ22とが上下方向に並べて配設されている。加圧ローラ22に対して下側に配設された定着ベルト21内には、上記実施形態と同様に、ハロゲンヒータ23と、ニップ形成部材24と、ステー25と、反射部材26が配設されている。ここでも、ステー25と反射部材26とをそれぞれ凹状に形成し、それらの内側にハロゲンヒータ23を配設することによって、コンパクトにしているが、ステー25及び反射部材26の各開口部は下方へ向いている。このため、ハロゲンヒータ23からの輻射熱は、下方を向いた開口部から主として定着ベルト21の下部に伝達されるようになる。すなわち、この実施形態では、定着ベルト21の直接加熱される領域Qが、ハロゲンヒータ23の下方となるように構成されている。なお、それ以外の構成は、上記実施形態の構成と基本的に同様である。
このように、直接加熱される領域Qをハロゲンヒータ23の下方に配設することで、印刷動作を終了したとき、ハロゲンヒータ23周辺の加熱空気Hは上方へ集まりやすいことから、定着ベルト21に加熱空気Hが接触しにくくなる。これにより、印刷動作終了後に、定着ベルト21が加熱空気Hによって加熱されることによる局部的な温度上昇を抑制することができ、定着ベルトの変形や損傷、劣化を抑制することができる。
さらに、この実施形態の場合、ハロゲンヒータ23の周囲を包囲する反射部材26によって、加熱空気Hが上方へ向かうのを阻止することができる。これにより、より確実に定着ベルト21の加熱を抑制することができる。なお、ここでは、反射部材26とステー25とが、ハロゲンヒータ23の周囲を(定着ベルト21の周方向における上方と側方に渡って)包囲する包囲部材として設けられているが、反射部材26を設けずに、ステー25のみによってハロゲンヒータ23を包囲してもよい。その場合も同様に、加熱空気Hが上方へ向かうのを阻止することができる。また、ステー25が高温となるのを抑制するためには、ステー25を熱容量の大きい金属部材(例えば、SUS等)で構成することが望ましい。
以下、本発明のさらに別の実施形態について説明する。
この実施形態に係る定着装置は、定着ベルト21の構成を除いて、基本的に図2に示す定着装置の基本構成と同様の構成となっている。具体的に、この実施形態では、上記実施形態とは、定着ベルト21に熱伝導率の良い材料から成る均熱層を設けている点で異なっている。
図9は、この実施形態に係る定着ベルト21の拡大断面図である。
図9に示すように、定着ベルト21は、内周面側から外周面側に向かって、ステンレス(SUS304)から成る基材層63と、銅から成る均熱層64と、ニッケルから成る酸化防止層65と、シリコーンゴムから成る弾性層66と、PFAから成る離型層67とで構成されている。均熱層64は、厚みが15μm以上に設定されている。ただし、定着ベルト21がニップ部Nで屈曲可能となるように、均熱層64の厚さは30μm以下とすることが好ましい。
このように、定着ベルト21に均熱層64を設けることで、印刷動作終了後、ハロゲンヒータ周辺の加熱空気によって定着ベルト21が局部的に加熱されても、その熱を均熱層64を介して拡散させることができる。これにより、定着ベルト21の局部的な温度上昇を抑制することができ、定着ベルトの変形や損傷、劣化を抑制することができる。
なお、従来では、誘導加熱方式の定着装置において、ベルトに銅などから成る発熱層を設けた構成が提案されているが(例えば、特許第3901414号参照)、この発熱層は電磁誘導加熱作用によりベルトを加熱するためのものであり、局部的な温度上昇を抑制する本発明の均熱層とは、その目的及び作用、効果の点において異なる。
また、本発明の均熱層は、必ずしも定着ベルト21全体に配設する必要はなく、ハロゲンヒータの発光長、ハロゲンヒータや定着ベルトのレイアウト等の関係から、定着ベルトの最も高温になる箇所周辺にのみ配設してもよい。これに対し、誘導加熱方式における発熱層は、ベルトに局部的に設けられた場合、定着装置としての機能を発揮し得ない。このように、本発明の均熱層と誘導加熱方式における発熱層とは、種々の点において異なるものである。
以上のように、本発明によれば、印刷動作の終了後(加熱源の加熱停止後)、定着ベルトが静止した状態で、加熱源周辺の加熱空気によって定着ベルトが局部的に加熱されるのを抑制することができるので、定着ベルトの熱による変形や損傷、劣化を抑制することができる。これにより、定着ベルトの寿命を延ばし、その機能を良好に維持することができるので、定着品質を長期に亘って確保することが可能となる。また、定着ベルトの過剰な温度上昇を抑制できるので、安全性も向上する。
特に、上記本発明の実施形態のように、定着ベルトを薄くかつ小径化し、定着ベルトの内周面と接触する部材を両端のベルト保持部材とニップ形成部材のみにして低熱容量化し、定着ベルトの内周面を近傍から局部的に直接加熱する構成においては、印刷終了後、定着ベルトの温度が局部的に上昇しやすい。そのため、このような構成の定着装置に本発明を適用することにより、より大きな効果を期待できる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上述の各実施形態の特徴部分を2つ以上組み合わせてもよい。また、本発明の構成は、図2に示す構成の定着装置に限らず、例えば、図10に示すような1本のハロゲンヒータ23を有する定着装置や、図11に示すような3本のハロゲンヒータ23を有する定着装置などにも適用可能である。また、本発明に係る定着装置は、図1に示すカラーレーザープリンタ以外に、モノクロ画像形成装置や、その他のプリンタ、複写機、ファクシミリ、あるいはこれらの複合機等に搭載することも可能である。また、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。