JP7253134B2 - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、定着装置及び画像形成装置に関する。

従来、定着装置において、発熱体の加熱幅よりも幅の狭い記録材が通過した際に、記録材が通過しない範囲で定着部材の温度が上昇する、いわゆる端部温度上昇が発生することが知られている。

この端部温度上昇を抑制する技術に関するものとして特許文献１がある。特許文献１には、プレート状のヒートパイプでできた基板の上に、絶縁層を介して発熱体が印刷され、更に最表面は絶縁層でコーティングされている加熱手段について記載されている。

端部温度上昇を抑制する方法として、定着部材の内側に接触するニップ形成部材の熱伝導性を高めることが考えられる。しかし、熱伝導性を高めるためにニップ形成部材の断面形状の面積を増やせば、体積が増加して熱容量の増加を招く。ニップ形成部材は定着部材に接触しているため、熱容量の増加はウォームアップタイムが長くなり、省エネルギー性低下の原因にもなる。また、定着部材とニップ形成部材の間には、摺動性を確保するために摺動シートを配置することが一般的であるが、この摺動シートも定着部材からニップ形成部材への熱移動の妨げとなっていた。この点、特許文献１では、熱容量の低いヒートパイプを利用しているものの、ヒートパイプと発熱体が一体的な構成となっている。そのため、ヒートパイプが発熱体の加熱の影響を直接的に受けることになり、端部温度上昇発生時に均熱化を効果的に作用させるという点で改善の余地があった。

本発明は、高い均熱性により、定着部材の端部温度上昇を効果的に抑制できる定着装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明は、環状の定着部材と、前記定着部材の内側に配置されるニップ形成部材と、前記定着部材の外側で該定着部材を挟んで前記ニップ形成部材に対向配置される加圧部材と、前記定着部材の内側で前記ニップ形成部材から離間した位置に配置され、前記定着部材の内周面を加熱する発熱体と、前記定着部材の内側で前記発熱体と前記ニップ形成部材の間に配置され、前記発熱体の輻射熱を反射する反射部材と、を備え、前記ニップ形成部材は、前記定着部材の内周面から熱が伝達されるヒートパイプを有し、前記ヒートパイプは、回転する前記定着部材の内周面に対して相対的に摺動するニップ面と、作動液を封入する作動液空間とを有し、前記ニップ面は、摺動材のコーティング層により形成され、前記ニップ面での前記定着部材の回転方向における前記ヒートパイプの上流側及び下流側の両端部が加圧部材側とは反対側に屈曲することにより、前記ヒートパイプが断面Ｕ字状に形成され、前記作動液空間は、前記ヒートパイプの形状に応じた断面Ｕ字状に形成される定着装置に関する。

本発明の定着装置及び画像形成装置によれば、高い均熱性により、定着部材の端部温度上昇を効果的に抑制できる。

本発明の一実施形態に係る定着装置を備える画像形成装置を示す図である。 本実施形態の定着装置を示す図である。 本実施形態の定着装置のヒートパイプを示す断面斜視図である。 本実施形態の定着装置のヒートパイプのニップ面に形成されるコーティング層を示す模式図である。 本実施形態の定着装置のヒートパイプの作動液空間の長さを説明する模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１には、本発明の一実施形態に係る定着装置１０を備える画像形成装置の一例として電子写真式のレーザープリンタ１が示される。まず、プリンタ１の全体構成について説明する。

本実施形態のプリンタ１は、記録材の一例としての転写紙Ｓを収容する給紙部２と、給紙部２から供給される転写紙Ｓに画像を形成する画像形成部３と、転写紙Ｓに形成された画像を定着させる定着装置１０と、定着装置１０で画像が定着した転写紙Ｓが排出される排紙部４と、を備える。

給紙部２は、転写紙Ｓを積層して収容可能な給紙カセットである。給紙部２には、転写紙Ｓを搬送方向下流側に送り出す給紙ローラ２１が配置されている。給紙部２に収容された転写紙Ｓは、給紙ローラ２１の回転動作によって一枚ずつ分離される。分離された転写紙Ｓは、給紙ローラ２１の搬送方向下流側に配置されるレジストローラ対２２によって所定のタイミングで画像形成部３に送られる。

画像形成部３は、複数の作像装置３０Ｙ，３０Ｍ，３０Ｃ，３０Ｋと、複数のトナーボトル４０Ｙ，４０Ｍ，４０Ｃ，４０Ｋと、光書込ユニット３１と、転写ユニット３２と、を備える。

作像装置３０Ｙ，３０Ｍ，３０Ｃ，３０Ｋ及びトナーボトル４０Ｙ，４０Ｍ，４０Ｃ，４０Ｋは、トナー像を形成するトナー色であるイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックのそれぞれに対応している。図１において、符号中のＹはイエロー、Ｍはマゼンタ、Ｃはシアン、Ｋはブラックに対応していることを示す。

作像装置３０Ｙ，３０Ｍ，３０Ｃ，３０Ｋは、トナー色が異なる以外は同様の構成である。以下、図１中のトナー色を示す符号を省略して作像装置３０の各構成について説明する。本実施形態の作像装置３０は、潜像担持体の一例としての感光体ドラム４１と、感光体ドラム４１の表面を帯電させる帯電装置４２と、トナーボトル４０に供給されるトナーを感光体ドラム４１に供給する現像装置４３と、感光体ドラム４１をクリーニングするクリーニング装置４４と、を備える。

光書込ユニット３１は、光源としての半導体レーザ、各種のレンズ、ミラー等の光学部品から構成される潜像形成部である。光書込ユニット３１は、外部から通信等によって取得した画像情報に基づいて走査露光を行う。

転写ユニット３２は、無端状の転写ベルト３３と、転写ベルト３３の内側に配置される複数の一次転写ローラ３５Ｙ，３５Ｍ，３５Ｃ，３５Ｋ、テンションローラ３７及び二次転写バックアップローラ３８と、転写ベルト３３の外側に配置される中間転写クリーニング装置３９と、二次転写ローラ２３と、を備える。一次転写ローラ３５Ｙ，３５Ｍ，３５Ｃ，３５Ｋは、転写ベルト３３を挟んで感光体ドラム４１Ｙ，４１Ｍ，４１Ｃ，４１Ｋに合わせて対向配置される。二次転写バックアップローラ３８は、転写ベルト３３を介して二次転写ローラ２３に対向配置される。

画像形成が開始されると、感光体ドラム４１が回転する。帯電装置４２によって感光体ドラム４１の表面が一様に帯電する。光書込ユニット３１の走査露光により感光体ドラム４１の表面に静電潜像が形成される。感光体ドラム４１の表面に形成された静電潜像に現像装置４３から現像剤としてのトナーが供給され、可視像としてのトナー像が形成される。

感光体ドラム４１の表面に形成されたトナー像は転写ベルト３３に一次転写される。感光体ドラム４１と、転写ベルト３３を介した一次転写ローラ３５と、による一次転写ニップによって各色の感光体ドラム４１のトナー像が転写ベルト３３に重ね合わせて転写される。感光体ドラム４１の表面に残留したトナーは、クリーニング装置４４によって除去され、感光体ドラム４１の残留電荷は除電部としての除電ランプにより除去される。

レジストローラ対２２は、転写ベルト３３の表面に転写されたトナー像に、転写紙Ｓを重ね合わせるタイミングで回転する。レジストローラ対２２の回転により、転写ベルト３３を介した二次転写バックアップローラ３８と、二次転写ローラ２３と、による二次転写ニップに転写紙Ｓが送り出される。二次転写ニップでトナー像が転写された転写紙Ｓは、転写ベルト３３から機械的に分離された後、定着装置１０に送られる。一次転写ニップを通過した後の転写ベルト３３の表面に残留したトナーは、中間転写クリーニング装置３９によって除去される。なお、画像形成部３の構成は、適宜変更することができる。例えば、帯電装置４２と異なる構成の帯電部や光書込ユニット３１と異なる構成の潜像形成部を用いてもよい。

次に、本実施形態の定着装置１０について説明する。図２は、本実施形態の定着装置１０を示す図である。図２に示すように、定着装置１０は、定着部材としての定着ベルト６０と、加圧部材としての加圧ローラ８０と、保持部材としてのフランジ６１と、定着ベルト６０の内側に配置されるステー部材６２と、発熱体としての複数のハロゲンヒータ９０と、反射部材７０と、ニップ形成部材４５と、を備える。

定着ベルト６０は、可撓性を有する無端状の回転体又は筒体である。本実施形態の定着ベルト６０は、中空部を有する円筒状の基材、この基材表面に被覆された弾性層、弾性層の表層に形成される離型層からなる。基材は、ニッケル、ＳＵＳ（ステンレス鋼）、アルミニウム等の金属やＰＩ（ポリイミド）等の耐熱性樹脂によって構成される。弾性層は、シリコンゴムによって構成される。シリコンゴムからなる弾性層は、転写紙Ｓに形成されたトナー像を加圧するときに変形し、表面の微小な凹凸を吸収することでゆず肌のような画像の形成を防止できる。なお、シリコンゴムからなる弾性層の厚みは１００μｍ以上であることが好ましい。離型層は、ＰＦＡ（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）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素系樹脂によって構成される。なお、定着ベルト６０の構成は適宜変更できる。例えば、定着ベルト６０は、熱容量低減の観点から弾性層を省略したり、断面形状を円形以外の多角形に形成したりすることができる。

加圧ローラ８０は、定着ベルト６０の外周面に対向配置される。加圧ローラ８０は、モータ等の駆動源及びギヤ等の伝達部材（図示省略）から伝達される駆動力によって回転する。また、加圧ローラ８０は、スプリング等の付勢部材（図示省略）によって定着ベルト６０側に付勢される。本実施形態の加圧ローラ８０は、中空部を有する円筒状の基材、基材表面に被覆された弾性層、弾性層の表層に形成される離型層からなる。基材は、ニッケル、ＳＵＳ（ステンレス鋼）、アルミニウム等の金属によって構成される。弾性層は、シリコンゴムによって構成される。離型層は、ＰＦＡやＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂によって構成される。なお、加圧ローラ８０の構成は適宜変更できる。例えば、加圧ローラ８０を中空部がない中実に構成することもできる。また、加圧ローラの内部にハロゲンヒータ等の熱源を配置してもよい。また、加圧ローラ８０の弾性層８２は、シリコンゴム等のソリッドゴム以外のものを用いることができる。例えば、加圧ローラが熱源を有しない構成において、断熱性の高いスポンジゴムを用いてもよい。断熱性の高いスポンジゴムを用いることにより、定着ベルト６０から加圧ローラ８０への熱移動を抑制することができる。

フランジ６１は、定着ベルト６０、ステー部材６２、ニップ形成部材４５、ハロゲンヒータ９０、反射部材７０の各部品を保持する保持部材である。フランジ６１は、プリンタ１の筐体側に固定されており、ステー部材６２の両端部等を装置内部で保持する。

ステー部材６２は、定着ベルト６０の内側でニップ形成部材４５を支持する。加圧ローラ８０によって加えられる押圧力は、定着ベルト６０及びニップ形成部材４５を介してステー部材６２によって受け止められる。

複数のハロゲンヒータ９０は、定着ベルト６０の内周面６５を加熱する発熱体である。ハロゲンヒータ９０は、ステー部材６２及びニップ形成部材４５から独立した部品である。本実施形態では、２本のハロゲンヒータ９０が配置される。なお、発熱体は、ハロゲンヒータ９０以外にも、ＩＨコイル、抵抗発熱体、カーボンヒータ等を用いてもよい。

反射部材７０は、ハロゲンヒータ９０の輻射熱を定着ベルト６０の内周面６５に反射する。反射部材７０は、アルミ等によって構成される基材、基材表面に塗布された銀ペースト等からまる鏡面部及び鏡面部の表面に形成される最表側に位置する酸化防止層等によって構成される。

反射部材７０は、定着ベルト６０の内側であってステー部材６２とハロゲンヒータ９０の間を遮る形状に構成される。ハロゲンヒータ９０のステー部材６２側に照射された輻射熱は、ステー部材６２に直接到達することなく反射部材７０によって定着ベルト６０の内周面６５に反射される。これにより、ステー部材６２の加熱が防止され、ハロゲンヒータ９０による定着ベルト６０の加熱を効率的に行うことができる。

ニップ形成部材４５は、定着ベルト６０の内側で当該定着ベルト６０を挟んで加圧ローラ８０に対向配置される。ニップ形成部材４５は、ヒートパイプ５０をベースとしたアッセンブリ体である。本実施形態では、ヒートパイプ５０に樹脂又は金属で形成されるステー部材６２との連結部品４６等が組み合わせてニップ形成部材４５が構成される。

図３は、本実施形態の定着装置１０のヒートパイプ５０を示す断面斜視図である。図３に示すように、ヒートパイプ５０は、定着ベルト６０の軸方向（長手方向）に細長に延びており、熱伝導率の高い材料、アルミニウムや銅等によって形成される。なお、定着ベルト６０の軸方向は、定着ベルト６０の回転軸と平行な方向のことを示すものとする。なお、コスト、加工性及び強度の観点では、ヒートパイプ５０を銅で構成することが好ましいが、銀、グラファイト等、他の材料を用いてもよい。

ヒートパイプ５０は、定着ベルト６０の内周面６５に接触するニップ面５１を有する。また、ヒートパイプ５０の両側の端部５２はステー部材６２側に屈曲しており、ヒートパイプ５０の断面形状は、略Ｕ字状になっている。ニップ面５１は、平面状又は凹面状に形成される。なお、ジャム発生を抑制するという観点では、転写紙Ｓの排出方向が加圧ローラ８０よりになるため分離性が向上する凹面状にニップ面５１を形成した方が好ましいが、その形状に限定されるわけではない。ニップ面５１の形状は、平坦な面や凹面に限られず、適宜変更することができる。

ヒートパイプ５０の内部には、作動液５５が封入される作動液空間５３が形成される。作動液空間５３は、定着ベルト６０の軸方向に延びる空間となっており、作動液５５として水が封入されている。本実施形態の作動液空間５３は、ヒートパイプ５０の形状に応じた略Ｕ字状の空間が軸方向に延びる形状となっているが、この形状に限定されない。作動液空間５３が直方体状の空間として形成されてもよい。なお、作動液５５は水以外のものを用いることもできる。

図４は、本実施形態の定着装置のヒートパイプ５０のニップ面５１に形成されるコーティング層５６を示す模式図である。図４に示すように、ニップ面５１には、摺動材５７のコーティングにより、薄膜状のコーティング層５６が形成される。コーティング層５６を形成する摺動材５７としては、例えばPTFEを含有した樹脂材料が好ましい。

コーティング層５６は、ニップ面５１の略全域に形成される。このコーティング層５６が形成されたニップ面５１が、定着ベルト６０の内周面６５に接触する接触部となる。なお、コーティング層５６の範囲は、ニップ面５１だけに限定されるわけではない。コーティング層５６の範囲がヒートパイプ５０のニップ面５１から端部５２にわたってもよい。また、コーティング層５６の範囲において、一部にコーティング層が形成されない領域があってもよい。

ヒートパイプ５０の作動液空間５３の長さについて説明する。図５は、本実施形態の定着装置１０のヒートパイプ５０の作動液空間５３の長さを説明する模式図である。図５に示す転写紙Ｓは、プリンタ１の給紙部２にセットされる転写紙Ｓのうち、搬送方向に直交する方向の幅ｂが最も長い転写紙Ｓである。

ヒートパイプ５０の作動液空間５３の長手方向の距離ａは、プリンタ１に設定される搬送方向に直交する方向の幅が最も大きいサイズの転写紙Ｓの幅ｂよりも、長く形成されている。

次に、定着装置１０の定着処理について説明する。駆動源（図示省略）によって加圧ローラ８０が回転し、加圧ローラ８０に加圧される定着ベルト６０に駆動力が伝達されると該定着ベルト６０が回転する。このとき、ニップ形成部材４５のヒートパイプ５０における定着ベルト６０の内周面６５に接する部分は、コーティング層５６が形成されたニップ面５１となっているので、スムーズに定着ベルト６０が回転する。

定着ベルト６０におけるニップ形成部材４５と加圧ローラ８０によってニップされる部分の熱は、軸方向に延びるヒートパイプ５０により均熱化され、定着ベルト６０の軸方向の温度分布が均一化される。従って、転写紙Ｓのサイズが小さく、定着ベルト６０の端部に転写紙Ｓが接触しない場合であっても、定着ベルト６０の熱がヒートパイプ５０によって均一化され、定着ベルト６０の端部が過熱する端部温度上昇の発生を効果的に抑制できる。

上述のように画像形成部３でトナー像が形成された転写紙Ｓが定着装置１０に到達すると、定着ベルト６０、ニップ形成部材４５及び加圧ローラ８０によって加圧、加熱されてトナー像が転写紙Ｓに定着する。定着装置１０を通過してトナー像が定着された転写紙Ｓは、排紙ローラ対２４によって排紙部４に排出される。排紙部４は、転写紙Ｓを仮置可能な排紙トレイである。加熱及び加圧によって転写紙Ｓ上に形成されたトナー像が定着する。

以上説明したように、定着装置１０は、環状の定着ベルト６０と、定着ベルト６０の内側に配置されるニップ形成部材４５と、定着ベルト６０の外側で定着ベルト６０を挟んでニップ形成部材４５に対向配置される加圧ローラ８０と、定着ベルト６０の内側でニップ形成部材４５から離間した位置に配置され、定着ベルト６０の内周面６５を加熱するハロゲンヒータ９０と、を備える。そして、ニップ形成部材４５は、定着ベルト６０の内周面６５から熱が伝達されるヒートパイプ５０と、ヒートパイプ５０と定着ベルト６０の内周面６５の間に形成される摺動材５７のコーティング層５６と、を有する。

これにより、ヒートパイプ５０は、同じ材料（例えば、純アルミニウムや純銅）で形成した板状の金属部材に対してコーティング層を形成した場合に比べ、熱伝導性が数倍優れているので、定着ベルト６０から伝達された熱を効果的に均一化できる。また、ヒートパイプ５０は低熱容量であるので、ウォームアップタイム及び省エネルギー性の観点でも有利な効果を奏する。また、ハロゲンヒータ９０は、定着ベルト６０の内周面を加熱しており、ニップ形成部材４５から離間して配置されているので、ハロゲンヒータ９０の加熱範囲に関係なく、定着ベルト６０から移動した熱をヒートパイプ５０によって効果的に均熱できる。これによって、連続通紙時に端部温度上昇が生じても、熱ムラが定着ベルト６０からヒートパイプ５０に移動して速やかに均熱化を行うことができる。更に、ヒートパイプ５０と間に空気層が介在せず、数十μｍの厚みで形成できるコーティング層５６によって摺動性を確保できるので、厚みが数百μｍの摺動シートを用いる場合に比べ、定着ベルト６０からヒートパイプ５０への熱移動を飛躍的に効率化できる。即ち、本実施形態の定着装置１０により、大きなコストをかけることなくコーティング層５６による低摩擦及びヒートパイプ５０による軸方向の高い均熱効果の両立を実現できる。

また、本実施形態のヒートパイプ５０は、定着ベルト６０の内周面６５に接触する面状のニップ面５１を有する。これにより、定着ベルト６０とヒートパイプ５０の接触面積を大きく確保でき、熱移動を効率的に行ってより高い均熱効果を実現できる。

また、本実施形態のコーティング層５６は、ヒートパイプ５０のニップ面５１側の表面に形成される。これにより、定着ベルト６０に接触するニップ面５１に形成されるコーティング層５６により、摺動性及び均熱性をより高いレベルで実現できる。

また、本実施形態のヒートパイプ５０は作動液５５を封入する作動液空間５３を有する。そして、作動液空間５３における転写紙Ｓの搬送方向に直交する方向の長さａは、搬送される転写紙Ｓの最大幅ｂ以上の長さに設定される。これにより、定着装置１０に搬送される全てのサイズの転写紙Ｓに対して均熱効果を良好に発揮できるので、定着ベルト６０の端部温度上昇をより一層確実に抑制できる。

また、本実施形態の摺動材は、PTFEを含有したPAIやPI樹脂である。これにより、より高い均熱性及び摺動性を両立できる。

また、本実施形態の定着装置１０は、定着ベルト６０の内側でハロゲンヒータ９０とニップ形成部材４５の間に配置され、ハロゲンヒータ９０の輻射熱を反射する反射部材７０を更に備える。これにより、ハロゲンヒータ９０の輻射熱は、ニップ形成部材４５のヒートパイプ５０に照射されることなく、反射部材７０によって定着ベルト６０に反射される。ヒートパイプ５０のハロゲンヒータ９０の加熱範囲の影響がより抑制され、端部温度上昇の発生をより確実に防止できる。

本実施形態の定着装置１０を備えるプリンタ１により、安価な構成でウォームアップタイムの短縮及び省エネルギー性とともに、連続通紙時の定着ベルト６０の端部温度上昇を効果的に抑制できる。

なお、上述した定着装置１０の各構成は一例であり、その構成は事情に応じて適宜変更できる。例えば、定着ベルト６０の両端部に、転写紙Ｓのサイズに応じてハロゲンヒータ９０と定着ベルト６０の間を遮蔽する遮蔽位置と遮蔽を解除する待機位置の間を移動可能な遮蔽部材を更に配置してもよい。遮蔽部材は、高い耐熱性を有するアルミ、鉄、ステンレス鋼等で構成される。遮蔽部材により、転写紙Ｓのサイズに応じてハロゲンヒータ９０による定着ベルト６０の加熱範囲をコントロールできる。このような遮蔽部材を組み合せることで、端部温度上昇をより一層抑制できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態や変形例に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。

１ プリンタ（画像形成装置）
１０ 定着装置
４５ ニップ形成部材
５０ ヒートパイプ
５６ コーティング層
５７ 摺動材
６０ 定着ベルト（定着部材）
８０ 加圧ローラ（加圧部材）
９０ ハロゲンヒータ（発熱体）
Ｓ 転写紙（記録材）

特開２０１３－１４２８３４号公報

Claims (4)

1. 環状の定着部材と、
   前記定着部材の内側に配置されるニップ形成部材と、
   前記定着部材の外側で該定着部材を挟んで前記ニップ形成部材に対向配置される加圧部材と、
   前記定着部材の内側で前記ニップ形成部材から離間した位置に配置され、前記定着部材の内周面を加熱する発熱体と、
   前記定着部材の内側で前記発熱体と前記ニップ形成部材の間に配置され、前記発熱体の輻射熱を反射する反射部材と、
   を備え、
   前記ニップ形成部材は、
   前記定着部材の内周面から熱が伝達されるヒートパイプを有し、
   前記ヒートパイプは、回転する前記定着部材の内周面に対して相対的に摺動するニップ面と、作動液を封入する作動液空間とを有し、
   前記ニップ面は、摺動材のコーティング層により形成され、
   前記ニップ面での前記定着部材の回転方向における前記ヒートパイプの上流側及び下流側の両端部が加圧部材側とは反対側に屈曲することにより、前記ヒートパイプが断面Ｕ字状に形成され、
   前記作動液空間は、前記ヒートパイプの形状に応じた断面Ｕ字状に形成される定着装置。
2. 前記作動液空間における記録材の搬送方向に直交する方向の長さは、搬送される前記記録材の最大幅以上の長さに設定される請求項１に記載の定着装置。
3. 前記摺動材は、PTFEを含有したPAIやPI樹脂である請求項１又は２に記載の定着装置。
4. 請求項１から３の何れかに記載の定着装置を備える画像形成装置。

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