JPH09166931A

JPH09166931A - 定着装置

Info

Publication number: JPH09166931A
Application number: JP28117696A
Authority: JP
Inventors: Gerald A Domoto; エイドモトジェラルド; Elias Panides; パニデスイライアス
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1995-10-31
Filing date: 1996-10-24
Publication date: 1997-06-24
Also published as: BR9605225A; EP0772100A2

Abstract

(57)【要約】【課題】すぐれた熱伝達特性を有し、一様な軸方向温
度を維持することができる定着装置を提供する。【解決手段】本発明の定着装置は、純粋な流体物質ま
たは純粋な流体物質の混合物が入っているシールした定
着部材を使用している。流体を２相（液体および蒸気）
状態に保つために、熱を内部または外部から加える。未
定着の像を有する用紙が定着部材と加圧部材の間を通過
するとき、熱が用紙へ移動して像が融着される。定着部
材内の流体が２相状態であるため、熱が用紙へ非常に一
様に効率よく移動する。従って、軸線に沿って非常に一
様な温度を維持し、かつ加熱源や定着部材の熱伝達効率
の変化に起因するホットスポットや定着部材の一定の部
分の過熱を避けることができる定着装置が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般には定着装置、よ
り詳細には像をシートへ定着するため定着部材の軸線に
沿って非常に一様な定着温度および高い熱伝達効率を与
える定着部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】典型的な電子写真印刷法では、光導電性
部材が実質上一様な電位へ帯電され、その表面が感光性
にされる。次に光導電性部材の帯電した部分が複製する
原稿の光像にさらされる。この露光により、照射された
領域内の光導電性部材上の電荷が選択的に消去され、原
稿に含まれている情報領域に対応する静電潜像が光導電
性部材の上に記録される。静電潜像が光導電性部材の上
に記録されたあと、潜像は現像剤と接触することによっ
て現像される。一般に、現像剤は摩擦電気作用でキャリ
ヤ粒子に付着したトナー粒子を含んでいる。トナー粒子
はキャリヤ粒子から光導電性部材へ引きつけられて、光
導電性部材の上にトナー粉末像を形成する。そのトナー
粉末像は、そのあと光導電性部材からコピー用紙へ転写
される。続いてトナー粒子が加熱され、トナー粉末像が
コピー用紙へ永久に定着される。

【０００３】最新の定着装置はトナーを用紙へ融着させ
るため主要な熱伝達メカニズムとして熱伝導を用いてい
る。この形式の定着装置は、いろいろな幅の用紙が定着
ニップに送り込まれたときの不均一な軸方向温度分布が
問題である。これらの問題の一部は、加熱ランプの軸方
向のプロフィル（形状）を整形することによって、また
は多数の加熱ランプを使用して軸方向の加熱プロフィル
（特性曲線）の制御を可能にすることによって処理され
ている。

【０００４】熱伝達は熱伝導によつて制御されるので、
ほとんどの定着装置はエネルギーを軸方向に移動させる
ことが難しい。これは必ずゴム層の過熱につながり、定
着装置の寿命を縮める主要な原因になる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、用紙
またはフィルムの幅および（または）速度がどんなに変
化しても、定着ロールの表面上の一様な軸方向温度分布
を達成することである。従って、すぐれた熱伝達特性を
有し、一様な軸方向温度を維持することができる定着装
置を開発することが望ましい。

【０００６】本発明の種々の特徴に関連があると思われ
る特許文献として、米国特許第５，１１９，１４２号が
ある。その関連部分は以下のように簡潔に要約すること
ができる。

【０００７】米国特許第５，１１９，１４２号は、熱交
換ローラーによって定着ニップか出てきたベルトの部分
から熱を除去し、その熱をニップに入っていくベルトの
部分へ戻すようになっている定着装置を開示している。
熱交換ローラーは絶縁性コアの上に薄い熱伝導性層を有
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、第１の態様と
して、像を像支持体へ定着する装置を提供する。本装置
は加圧部材と加熱された定着部材から成り、前記定着部
材は定着部材に沿って軸方向温度が実質上一定であるよ
うに加熱される。

【０００９】本発明は、第２の態様として、像を像支持
体へ定着する形式の電子写真印刷機を提供する。本印刷
機は加圧部材と加熱された定着部材を備え、前記定着部
材は定着部材に沿って軸方向温度が実質上一定であるよ
うに加熱される。

【００１０】本発明は、第３の態様として、印刷機にお
いて定着部材を加熱する方法を提供する。本方法は、実
質上純粋な流体物質または実質上純粋な流体物質の混合
物を密封定着部材の中に保持すること、前記流体を加熱
して流体を２相（液相と蒸気相）状態に保つこと、およ
び未定着の像を有する像支持体を定着部材に接触させて
その像を像支持体へ定着させることから成っている。

【００１１】本発明のその他のトナーは、添付図面を参
照して以下の説明を読まれれば明らかになるであろう。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の特徴の全般的な理解を助
けるために、図面を参照して説明する。図中、同一の構
成要素は全体を通じて同じ参照番号を用いて識別してあ
る。図１は、本発明の特徴を組み入れた電子写真印刷機
の略図である。本発明の相変化型定着装置が広範囲の諸
装置に使用することが可能であり、その利用がここに記
載した特定の実施例に限定されるものでないことは、以
下の検討から明らかになるであろう。

【００１３】図１に示すように、ラスタ入力スキャナ
（ＲＩＳ）２８の上方にある原稿取扱い装置２７の中に
原稿が置かれている。ＲＩＳ２８は原稿照明ランプ、レ
ンズ、機械式走査駆動装置、および電荷結合素子（ＣＣ
Ｄ）アレイを有する。ＲＩＳ２８は原稿全体をキャプチ
ャーし、それを一連のラスタ走査線へ変換する。この情
報は、次に説明するラスタ出力スキャナ（ＲＯＳ）３０
を制御する電子サブシステム（ＥＳＳ：コントローラ２
９）へ送られる。

【００１４】図１は、一般に光導電性ベルト１０を使用
する電子写真印刷機の略図である。光導電性ベルト１０
は、カール防止支持層、その上に被覆された接地層、そ
の上に被覆された光導電性物質から成るものが好まし
い。ベルト１０は矢印１３の方向に動いてその連続する
部分を順次進め、その移動通路のまわりに配置された種
々の処理部に通す。ベルト１０は剥離ローラ１４、テン
ションローラ１６、および駆動ローラ２０のまわりに掛
け渡されている。駆動ローラ２０が回転すると、ベルト
１０は矢印１３の方向に進められる。

【００１５】最初に、光導電性表面の一部分が帯電部Ａ
を通過する。帯電部Ａでは、コロナ発生装置２２が光導
電性ベルト１０をかなり高い一様な電位に帯電させる。

【００１６】露光部Ｂでは、電子サブシステム（ＥＳ
Ｓ）すなわちコントローラ２９が所望の出力イメージを
表すイメージ信号を受け取り、それらの信号を処理して
連続調表現すなわちグレースケール表現へ変換する。そ
の連続調表現は変調出力発生装置、例えばラスタ出力ス
キャナ（ＲＯＳ）３０へ送られる。ＥＳＳ２９は独立型
専用ミニコンピュータが好ましい。ＥＳＳ２９へ送られ
たイメージ信号は、上述のようにＲＩＳまたはコンピュ
ータから生じたものでもよく、後者の場合、電子写真印
刷機は１またはそれ以上のコンピュータの遠隔プリンタ
としてサービスすることができる。上記の代わりに、印
刷機は高速コンピュータの専用プリンタとしてサービス
することもできる。印刷機によって複製することが要望
された連続調画像に対応するＥＳＳ２９からの信号は、
ＲＯＳ３０へ送られる。ＲＯＳ３０は回転ポリゴンミラ
ーブロックとレーザーを有する。回転ポリゴンは９面ポ
リゴンが好ましい。ＲＯＳ３０は光導電性ベルト１０の
帯電した部分を約３００ｐｐｉ以上の解像度で照明す
る。ＲＯＳ３０は光導電性ベルトを露光し、ＥＳＳ２９
から受け取った連続調画像に対応する静電潜像をその上
に記録する。代案として、ＲＯＳ３０は光導電性ベルト
１０の帯電した部分を一度に１ラスタづつ照明するよう
に配列された線型の発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイを
使用することができる。

【００１７】光導電性表面１２に静電潜像が記録された
あと、ベルト１０はその潜像を現像部Ｃへ進める。現像
部は周知の技術を使用して液体粒子または粉末粒子の形
のトナーを静電気作用で潜像へ引きつける。潜像はキャ
リヤ粒子からトナー粒子を引きつけてトナー粉末像を形
成する。連続して静電潜像が現像されるにつれて、現像
剤からトナー粒子が消耗する。そこでトナー粒子小出し
装置４４がトナー粒子を現像ユニット３８の現像剤ハウ
ジングの中に小出しする。

【００１８】図１の説明を続けると、静電潜像が現像さ
れたあと、ベルト１０上に存在するトナー粉末像は転写
部Ｄへ進む。コピー用紙４８は給紙装置５０によって転
写部Ｄへ給送される。給紙装置５０はスタック５４の一
番上の用紙に接触した給送ロール５２を有するものが好
ましい。給送ロール５２は回転し、スタック５４から一
番上の用紙を垂直搬送装置５６へ送り込む。その垂直搬
送装置５６は用紙４８を整合搬送装置５７へ送り込む。
その整合搬送装置５７は、用紙４８が転写部Ｄにおいて
ベルト１０上に形成されたトナー粉末像と接触してベル
ト１０から像を受け取るように、調時した順序で用紙４
８を転写部Ｄに通す。転写部Ｄは用紙４８の裏面にイオ
ンを散布するコロナ発生装置５８を備えている。このイ
オン散布により、光導電性表面１２から用紙４８へトナ
ー粉末像が引きつけられる。転写後、用紙４８はベルト
搬送装置６２によって矢印６０の方向に動き続けて定着
部Ｆへ運ばれる。

【００１９】定着部Ｆは転写されたトナー粉末像をコピ
ー用紙へ永久に付着させる定着装置７０を備えている。
定着装置７０は加熱された定着ロール７２と加圧ロール
７４から成り、コピー用紙上の粉末像は定着ロール７２
と接触する。定着装置７０は、あとで図２〜図８を参照
して詳しく説明する。

【００２０】用紙は定着装置７０を通過し、像が用紙へ
永久に定着される。定着装置７０を通過したあと、用紙
４８は、ゲート８０によって直接に出口通路１７を通し
て仕上げ装置またはスタッカーへ向けられるか、あるい
は両面複写ループ通路１００へ、詳細には最初に単一用
紙反転器８２へ向けられる。すなわち、もし用紙が片面
複写用紙か、または面１と面２の両方に像が形成された
完成した両面複写用紙であれば、ゲート８０によって直
接に出口通路１７へ向けられる。しかし、もし用紙が両
面複写されるべきものであり、そのとき面１の像だけが
印刷されたものであれば、ゲート８０によって反転器８
２へ偏向され、両面複写ループ通路１００へ送り込まれ
る。その場合、用紙は反転器８２で反転されたあと、加
速ニップ１０２およびベルト搬送装置１１０によって再
循環され、転写部Ｄおよび定着装置７０を通過し、両面
複写用紙の裏面に面２の像を受け取って永久に定着され
たあと、出口通路１７を通って出ていく。

【００２１】ベルト１０の光導電性表面１２から用紙が
離れたあと、光導電性表面１２に付着している残留トナ
ー／現像剤および紙繊維粒子は清掃部Ｅにおいて除去さ
れる。清掃部Ｅは光導電性表面１２に接触して回転し、
紙繊維を攪拌して除去するように取り付けられた繊維ブ
ラシと、転写されなかったトナー粒子を除去する清掃ブ
レードを備えている。清掃ブレードは目的に応じてワイ
パー位置またはドクター位置に修正することができる。
清掃後、次の連続する像形成サイクルのための帯電処理
に先立って、放電ランプ（図示せず）が光導電性表面１
２を投光照明し、表面に残っているすべての残留静電荷
を消去する。

【００２２】複写機の種々の機能はコントローラ（ＥＳ
Ｓ）２９によって調節される。コントローラ２９は上に
述べたすべての機能を制御するプログラム可能なマイク
ロプロセッサが好ましい。コントローラ２９は、コピー
用紙の比較カウント、再循環する原稿の数、オペレータ
が選択したコピー用紙の数、時間遅延、ジャムの是正、
等を提供する。これまで説明したすべての典型的なシス
テムの制御は、オペレータが選択した印刷機のコンソー
ルから通常の制御スイッチ入力によって行われる。通常
の用紙通路センサまたはスイッチを使用して、原稿およ
びコピー用紙の位置の情報を得ることができる。

【００２３】次に図２〜図８を参照して、本発明に係る
定着装置を詳しく説明する。本発明に係る定着装置は、
相変化型定着装置である。図２および図３は、定着装置
の２つの実施例の断面図である。定着ロール７２は、純
粋な作動流体が入ってシールされた円筒部材であって、
内部にチャンバーを形成する。作動流体を加熱するため
に、定着ロール７２の外側（図２）または定着ロール７
２の内側（図３）の加熱源１７４が使用される。

【００２４】最初に、周囲温度では、チャンバー内の圧
力は対応する飽和圧力に等しくされている。あらかじめ
空気やその他のすべての非凝結性物質を実質上排気した
チャンバーに作動流体を部分的に満たし、そのあとシー
ルする。内部からまたは外部から加熱して、流体温度を
所望のレベルまで上昇させる。定常状態では、加えた熱
量と周囲へ逃げた熱量とは等しい。熱伝達は主として液
体の蒸発と蒸気の凝結によって起きる。

【００２５】次の表１に、純粋な水について飽和温度と
圧力の関係を示す。

【００２６】

【表１】温度（°Ｃ）圧力（ｐｓｉａ）２００．４１００．６１５１０８．９２０１１５．６２５１２１．３３０１３０．７４０

【００２７】従って、水を使用する装置の場合は、周囲
温度（２０°Ｃ）で、チャンバーを０．４ｐｓｉａの圧
力まで排気しなければならない。温度が１３０．７°Ｃ
に達すると、圧力は４０ｐｓｉａへ上昇する。従って、
チャンバー内への漏洩またはチャンバー外への漏洩を防
止するために、この２つの極限に耐えるようにチャンバ
ーを設計しなければならない。

【００２８】コールド（冷たい）像支持体が定着ロール
の表面と接触すると、像支持体は定着ロールから熱を奪
う。この結果、温度が局部的に低下し、接触領域では定
着ロール内部の蒸気の凝結が増える。潜熱によるエネル
ギーの移動は、同じ温度差の場合、熱伝導による熱束を
大幅に越える熱束を生成することができる。さらに、エ
ネルギーは接触領域の冷えた表面へのみ流れるので、大
きな軸方向温度勾配が生じないで、どんな用紙幅でも一
様に加熱される。また高い熱伝達率は、非常に高い像支
持体速度の場合でも、定着ロールの温度変動を確実に小
さくする。

【００２９】像支持体は、コピー用紙、感光体ベルトま
たは中間転写ベルト、またはウェブ給送フィルムであっ
てもよい。

【００３０】定着装置はいろいろな像支持体の幅と熱的
特性に適合する必要がある。ここに記載した装置を使用
すれば、軸方向温度の変動は本質的に除去されるであろ
う。しかし、電子写真印刷機の定着装置の場合には、水
は、典型的な定着温度（１９０°Ｃ）では、飽和圧力が
取扱いの難しい１５０ｐｓｉａであるので、実施に適し
た作動流体ではない。大気圧で１８７．２°Ｃの沸点を
もつプロピレングリコールが望ましい候補である。

【００３１】エネルギーの選択的伝達は、構造的に実施
可能な、非常に薄い、高い熱伝導率を有する（例えば、
銅）ロールによって達成される。一例を図３および図４
に示す。１１５．６°Ｃ、２５ｐｓｉａの沸騰水が入っ
ている相変化型定着ロールに、厚さ４ミル、幅４２．６
ｃｍ、１インチ／秒の速度で移動するマイラーフィルム
が接触している。ロールは、厚さが０．２５ｃｍ、外径
が８ｃｍで、銅で作られている。２．５１ｃｍの長さに
わたって接触するように、シートの巻付き角は３６°で
ある。

【００３２】マイラーフィルムが巻付き部分に入るとき
の温度は２０°Ｃである。３次元熱電圧シミュレーショ
ンプログラムを用いて、巻付き部分を離れるときの軸方
向の表面温度分布を求めた。蒸気の凝結による熱伝達
は、次の式から得た平均熱伝達係数ｈ_cによって表され
る。ｈ_c＝0.725〔ｄ_l(d_l−ｄ_v) ｇｈ_fg′ｋ³／ＤＶ_l
（Ｔ_sv−Ｔ_s）〕^1/4 ここで、ｃ_p＝液体の比熱、ｋ＝液体の熱伝導率、ｄ_l＝液体の密度、ｄ_v＝蒸気の密度、ｇ＝重力の加速度、ｈ_fg＝凝結または蒸発の潜熱、また、ｈ_fg′＝ｈ_fg＋３／８ｃ_p（Ｔ_sv−Ｔ_s）、Ｄ＝ロールの直径、ｖ_l＝液体の粘度、Ｔ_sv＝飽和蒸気の温度、及びＴ_s＝ロールの表面温度である。

【００３３】上記の関係式は水平な管の内側に凝結する
純粋な飽和蒸気に対して有効である（Principles of He
at Transfer by Frank Kreith, 3rd edition参照 )。

【００３４】しかし、この関係式を控えめな見積りにし
ている２つの微妙な点がある。第１は、この関係式が絶
縁性液体層の生成を仮定していることである。実際に
は、回転中のロールは凝結する液体を洗い去るので、た
とえあるとしても、接触領域のすぐ背後に凝結する液体
は少しであろう。第２に、蒸気は大部分が接触領域の冷
えた表面に沿って凝結するのに、シミュレーションはロ
ールの全幅にわたって同一の熱伝達係数を仮定してい
る。

【００３５】これらの単純化にもかかわらず、図６の結
果は、マイラーフィルムおよび定着ロールの軸方向の表
面温度はすぐれた一様性を示している。マイラーフィル
ムの表面温度の変動は、０．４°Ｃ以下で、定着ロール
の裸の表面（若干より熱い）に近いために縁部分の幅２
ｃｍ以下の狭い帯状部の中で生じている。

【００３６】図７に、厳密に同じ幾何学的形状を有する
通常の定着装置と、同一動作条件を用いた場合の結果を
示す。比較のために図６の結果も示してある。

【００３７】通常の定着装置による加熱は、加熱ランプ
の出力が一様でないために、著しい表面温度の変動が生
じる。この例の場合、図８に示した特性曲線を有する２
ｋＷのランプを用いる。拡散反射する低放射率（０．
１）のキャビティにもかかわらず、表面の加熱分布は、
図８に示すように、軸方向の変動が著しい。図８で明ら
かである相変化型定着装置における著しい改善は、蒸気
の分散とその比較的スムースな流れが加熱源のどんな変
動をも有効に除去するためである。

【００３８】通常の２ロール型定着装置に幅狭シートを
使用した場合には、ランプのプロフィルすなわち形状を
ある程度整形するか、または多数のランプを使用しない
限り、用紙通路より外側のロール上の温度は通例、所望
の値よりはるかに高い値まで上昇する。相変化型定着装
置は、整形した加熱手段または多数の加熱装置を使用せ
ずに、蒸発によって用紙通路より外側の熱い領域から熱
を除去し、この熱を凝結が起きる用紙幅より中の領域へ
運ぶことによって、一様な軸方向温度を維持する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の定着装置を組み入れた電子写真印刷機
の略正面図である。

【図２】本発明の定着装置の断面図である。

【図３】本発明の定着装置の第２の実施例の断面図であ
る。

【図４】周囲にマイラーフィルムが部分的に巻き付けら
れている加熱ロールの一部分を示す正面図である。

【図５】図４の加熱ロールとマイラーフィルムを示す平
面図である。

【図６】相変化型定着装置とそれに接触しているマイラ
ーフィルムの軸方向表面温度のグラフである。

【図７】相変化定着装置とそれに接触しているマイラー
フィルムの軸方向表面温度と、通常の定着装置とそれに
接触しているマイラーフィルムの軸方向表面温度との相
違を示すグラフである。

【図８】通常の定着装置の場合のランプの加熱プロフィ
ルとロール表面加熱を示すグラフである。

【符号の説明】

Ａ帯電部Ｂ露光部Ｃ現像部Ｄ転写部Ｅ定着部Ｆ清掃部１０光導電性ベルト１２光導電性表面１３ベルト移動方向１４剥離ローラ１６テンションローラ１７出口通路２０駆動ローラ２２コロナ発生装置２７原稿取扱い装置２８ラスタ入力スキャナ（ＲＩＳ）２９コントローラ（ＥＳＳ）３０ラスタ出力スキャナ（ＲＯＳ）３８現像ユニット４４トナー粒子小出し装置４６現像剤ハウジング４８コピー用紙５０給紙装置５２給送ロール５４スタック５６垂直搬送装置５７整合搬送装置５８コロナ発生装置６０用紙移動方向６２ベルト搬送装置７０定着装置７２加熱された定着ロール７４加圧ロール８０ゲート８２用紙反転器１００両面複写ループ通路１０２加速ニップ１１０ベルト搬送装置１５０マイラーフィルム１７２相変化型定着ロール１７４加熱源１７８蒸発１８０凝結

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者イライアスパニデスアメリカ合衆国ニューヨーク州 10530 ハーツデイルサウスセンタルアベニュー 300 アパートメントシー43

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加圧部材と、加熱される定着部材とから
成り、像を像支持体へ定着する装置において、前記定着部材は、該定着部材の軸方向に沿った温度が実
質上一定であるように加熱されており、前記定着部材
が、回転可能に支持された、シールした円筒部材と、該
円筒部材に収容された流体と、該流体を２相状態に維持
するように該流体に作用する加熱源とを有することを特
徴とする定着装置。
【請求項２】像を像支持体へ定着する形式の印刷機に
おいて、加圧部材と、加熱される定着部材とから成り、前記定着部材は、該定着部材の軸方向に沿った温度が実
質上一定であるように加熱されており、前記定着部材
が、回転可能に支持された、シールした円筒部材と、該
円筒部材に収容された流体と、該流体を定常状態に維持
するように該流体に作用する加熱源とを有することを特
徴とする印刷機。
【請求項３】印刷機において定着部材を加熱する方法
において、シールした定着部材の中に、実質上純粋な流体物質また
は実質上純粋な流体物質の混合物を、保持し、前記流体を加熱して２相状態に維持し、未定着の像を有するシートを、前記定着部材に接触させ
て、その像をシートに定着させることから成ることを特
徴とする方法。