(57)【要約】【課題】定着装置のフリッカを防止するとともにウォームアップ時間を短縮し、さらに高温オフセットを発生させることなく多種用紙に対して安定して定着できる定着装置および電子写真装置を提供する。【解決手段】内部にカーボンランプヒータを有する透明石英管からなる加圧ローラと、該加圧ローラに当接してニップを形成する定着ベルトとから成り、ニップ突入前の用紙裏面から、前記加圧ローラのカーボンランプヒータからの赤外線を照射することで、用紙を予熱するとともに、ニップ時に用紙上のトナーに熱と圧力を加える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
定着ベルトと、内部に第１のカーボンランプヒータを有する透明石英からなる加圧ローラとが接触するニップ部のニップ部突入前の用紙裏面から、前記カーボンランプヒータからの赤外線照射で用紙を予熱するとともに、前記ニップ部では用紙に熱と圧力を加えることを特徴とする定着装置。
【請求項２】
請求項１記載の定着装置において、前記加圧ローラに対して固定摺動部材によって定着ベルトを巻きつけることを特徴とする定着装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の定着装置において、前記用紙を前記ニップ部へ案内する入口ガイドを有し、前記入口ガイドの下流端と前記ニップ部の入口までの距離を空隙Ｇとし、前記空隙Ｇでは前記第１のカーボンランプヒータの赤外線によって直接用紙裏面を加熱し、前記入口ガイドに対しては前記第１のカーボンランプヒータの赤外線によって前記入口ガイドを所定の温度に加熱して、用紙を間接的に予熱するように構成されることを特徴とする定着装置。
【請求項４】
請求項１または２記載の定着装置において、前記定着ベルトの内部に第２のカーボンランプヒータを有し、前記定着ベルトおよび前記固定摺動部材の材質が耐熱性の赤外線吸収材料であることを特徴とする定着装置。
【請求項５】
請求項２記載の定着装置において、前記固定摺動部材に温度検知手段を設け、該固定摺動部材の温度を制御することで前記定着ベルトの表面温度を一定にすることを特徴とする定着装置。
【請求項６】
請求項１または２記載の定着装置において、耐熱性を有する弾性ローラと固定摺動部材によって前記加熱ベルトを前記加圧ローラに当接させることを特徴とする定着装置。
【請求項７】
請求項４記載の定着装置において、前記第１および第２のカーボンランプヒータは板状であり、前記第１のカーボンランプヒータは、前記入口ガイドと角度φをなすように配置され、且つφ＝０〜４５°の範囲であることを特徴とする定着装置。
【請求項８】
請求項１または７記載の定着装置において、前記第１のカーボンランプヒータは用紙が搬送されるごとに点灯し、前記第２のカーボンランプヒータは前記定着ベルトの表面温度を一定に保つことを特徴とする定着装置。
【請求項９】
請求項１記載の定着装置において、前記ニップ部の出口より下流でかつ前記加圧ローラの外周に沿って遮蔽板を設けることを特徴とする定着装置。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項記載の定着装置を有することを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子写真技術を利用した複写機やプリンタなどの画像形成装置に関し、特に、定着装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電子写真方式による画像形成装置では、用紙に未定着のトナー像を定着させるために、内部に熱源を有する加熱ローラと、この加熱ローラに圧着するよう配置された加圧ローラからなる定着装置が広く利用されている。このような定着装置における加熱ローラは、通常、例えばアルミニウムなどの金属基体と、この金属基体の表面に形成された、例えばシリコーンゴムやフッ素樹脂などからなる被覆層とにより構成されており、内部の熱源としてはハロゲンヒータランプが用いられている。
【０００３】
しかしながら上記の一般的な定着装置では、以下の２つの課題がある。一つは、ハロゲンヒータランプを点灯させた場合に、通電開始と同時に大きな突入電流が流れ、その点灯回路に大きな電圧変動が起こり、その結果ハロゲンヒータランプと共通の電源系統に接続された照明機器などにフリッカ（人間が感じる「ちらつき感」）が発生するということである。
【０００４】
二つめは、加熱ローラ表面が所定の温度に昇温してトナーを用紙に定着させることが可能となるまでのウォームアップ時間が長くなるということである。なぜなら、ハロゲンヒータランプのフィラメントから放出される赤外線によって加熱ローラの金属基体内面を暖めるため、ハロゲンヒータランプからトナーへの熱の伝達がハロゲンランプヒータ→加熱ローラの金属基体内面→金属基体の熱伝導→加熱ローラの被覆層→トナーと、間接的であるためである。
【０００５】
そこで例えば特許文献１においては、低温時におけるカーボン発熱体の抵抗値が大きいため、ランプの点灯に伴う突入電流がきわめて小さいカーボンランプヒータを熱源に用いることでフリッカを低減するとともに、カーボンランプヒータから放射される赤外線に対して高い吸収率を有する赤外線吸収材料で加熱ローラを形成することでウォームアップ時間を短縮する構成が提案されている。また、特許文献２では、熱源をカーボンランプヒータとするとともに、加熱ローラの基体を透明体とすることで、カーボンランプヒータからの赤外線によって直接、用紙上のトナー像を加熱する構成が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３１９７４号公報
【特許文献２】特開２００６−３６３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１においては、加熱ローラの被覆層に赤外線吸収材料を用いているため、多少はウォームアップ時間の短縮が図れるが、ヒータからトナーへの熱伝達が加熱ローラを介して、すなわち加熱ローラの被覆層を暖めることでなされるため間接的であり、そのためウォームアップ時間の短縮には限界がある。
【０００８】
一方、特許文献２においては、ヒータからの赤外線が直接トナーに伝える構成のため熱効率すなわちウォームアップ時間の短縮には大きな効果があるが、ヒータの赤外線照射によってトナー表面のみが加熱されやすく、その結果、加熱ローラに溶融したトナーが付着する、所謂高温オフセットが発生しやすいという問題がある。
【０００９】
特に坪量６０ｇ/ｍ２以下の薄紙においては、溶融したトナーの粘着によって用紙ごと加熱ローラへ巻きついてしまう用紙ジャムを招くこととなる。
【００１０】
本発明の目的は、上記点を解消するためになされたものであり、定着装置のフリッカを防止するとともにウォームアップ時間を短縮し、さらに高温オフセットを発生させることなく多種用紙に対して安定して定着できる定着装置および電子写真装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明の第１の手段は、定着ベルトと、内部に第１のカーボンランプヒータを有する透明石英からなる加圧ローラとが接触するニップ部のニップ部突入前の用紙裏面から、前記カーボンランプヒータからの赤外線照射で用紙を予熱するとともに、前記ニップ部では用紙に熱と圧力を加えることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記加圧ローラに対して固定摺動部材によって定着ベルトを巻きつけることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の第３の手段は前記第１または第２の手段において、前記用紙を前記ニップ部へ案内する入口ガイドを有し、前記入口ガイドの下流端と前記ニップ部の入口までの距離を空隙Ｇとし、前記空隙Ｇでは前記第１のカーボンランプヒータの赤外線によって直接用紙裏面を加熱し、前記入口ガイドに対しては前記第１のカーボンランプヒータの赤外線によって前記入口ガイドを所定の温度に加熱して、用紙を間接的に予熱するように構成されることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の第４の手段は前記第１または第２の手段において、前記定着ベルトの内部に第２のカーボンランプヒータを有し、前記定着ベルトおよび前記固定摺動部材の材質が耐熱性の赤外線吸収材料であることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の第５の手段は前記第２の手段において、前記固定摺動部材に温度検知手段を設け、該固定摺動部材の温度を制御することで前記定着ベルトの表面温度を一定にすることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の第６の手段は前記第１または第２の手段において、耐熱性を有する弾性ローラと固定摺動部材によって前記加熱ベルトを前記加圧ローラに当接させることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の第７の手段は前記第４の手段において、前記第１および第２のカーボンランプヒータは板状であり、前記第１のカーボンランプヒータは、前記入口ガイドと角度φをなすように配置され、且つφ＝０〜４５°の範囲であることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の第８の手段は前記第１または第７の手段において、前記第１のカーボンランプヒータは用紙が搬送されるごとに点灯し、前記第２のカーボンランプヒータは前記定着ベルトの表面温度を一定に保つことを特徴とするものである。
【００１９】
本発明の第９の手段は前記第１の手段において、前記ニップ部の出口より下流でかつ前記加圧ローラの外周に沿って遮蔽板を設けることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の第１０の手段は画像形成装置において、前記第１ないし第９の手段の定着装置を用いたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の定着装置および電子写真装置によれば、ニップ突入前の用紙裏面から用紙を予熱することができるため、高温オフセットを発生させることなくウォームアップ時間を大幅に短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、本発明の定着装置および電子写真装置に関する実施の形態を図を参照して説明する。
【００２３】
先ず、本発明に係わる電子写真装置の概要について図２を用いて説明する。図２において、電子写真装置中央部に転写ベルト装置１８が配置されており、転写ベルト装置１８の上面には、感光体１９と帯電ローラ２０と現像ローラ２１が一体となりトナーを封入した作像装置２２Ｋ、２２Ｙ、２２Ｍ、２２Ｃが配置されている。それら作像装置２２Ｋ、２２Ｙ、２２Ｍ、２２Ｃの上方には露光手段２３が配置され、転写ベルトの回転方向下流（図の左方）には定着装置１５と用紙排出装置２４が配置されている。電子写真装置下部には、用紙を溜めておく用紙保持手段１６、用紙供給手段１７が配置されている。
【００２４】
このような構成において、各作像装置２２Ｋ〜２２Ｃの帯電ローラ２０は感光体１９の表面を一様に帯電させる。次にパソコン、イメージスキャナなどによる画像、文字の情報を露光手段２３によりドット単位で露光が行われ、感光体１９の表面に静電潜像を形成させる。その後、静電潜像は、現像ローラ２１によりトナーが供給、現像されることでそれぞれの感光体１９上にトナー像として可視化される。
【００２５】
一方、そのトナー像形成に合わせて、用紙が用紙供給手段１７によって用紙保持手段１６から転写ベルト装置１８に搬送されるとともに、各作像装置２２Ｋ〜２２Ｃの感光体１９と順次接触することで、各感光体１９上に形成された各色のトナー像が用紙に転写されることで、用紙上で４色のカラートナー像が形成される。トナー像を転写された用紙は、転写ベルト装置１８から定着装置１５に運ばれ、トナー像を用紙に定着し、用紙排出装置２４にて排出される。
【００２６】
次に、本発明の電子写真装置における定着装置について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る定着装置の概略断面図である。定着装置は、加熱ベルト１、加圧ローラ２、入口下ガイド３、入口上ガイド４、加圧パッド５、分離ローラ６、出口下ガイド7、出口上ガイド８、カーボンランプヒータ９、遮蔽板１０から構成される。
【００２７】
加熱ベルト１は、厚さ８０μｍ、内径３０ｍｍのシームレスのポリイミドベルトであり、その表面にはトナーとの離径性を確保するため、厚さ３０μｍのＰＦＡ（四弗化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）が被覆されている。
【００２８】
また、加熱ベルト１は、表面が加圧ローラ２の曲率に対応して湾曲形状を有する加圧パッド５および分離ローラ６によって、加圧ローラ２に対して巻付くよう当接し、用紙４０上のトナー４１を溶融するための接触幅、ニップ部ｈを形成している。そのため、加圧ローラ２が小径でも定着する速度に必要なニップ部ｈが形成できるため、定着装置の小型化が図れ、さらに高速定着が可能となる。
【００２９】
加圧ローラ２は、厚さ２ｍｍのパイプ状の透明な石英ガラス管の上に、トナーとの離型性を確保するため厚さ３０μｍの透明なＰＦＡが被覆されている。また、加圧ローラ２は、図示していないギヤにより矢印Ａ方向へ回転し、この回転駆動力によって加熱ベルト１が従動回転する。
【００３０】
入口下ガイド３は、熱伝導性がよい例えばアルミニウムやステンレスなどの金属であり、ニップ部ｈに対して空隙Ｇを形成するとともに、用紙４０と接してニップ部ｈに用紙４０を案内するように配置される。
【００３１】
ニップ部ｈは加熱ベルト１と加圧ローラ２のニップ入口から出口までのニップ部であり、空隙Ｇは入口下ガイド３の下流端からニップ部入口までの距離である。
【００３２】
加熱ベルト１および加圧ローラ２の内部には、それぞれ板状のカーボン発熱体とアルゴンガスからなるカーボンランプヒータ９がそれぞれ配置される。加熱ベルト１内の第２のカーボンランプヒータ９は、板上のカーボン発熱体から放射される図中矢印で示す赤外線によって、加熱ベルト１の内面を加熱するとともに、ニップ部ｈの加圧パッド５および分離ローラ６を加熱する。これによって、ニップ部ｈで用紙４０上のトナー４１に熱を与え、トナーを溶融する。
【００３３】
一方、透明石英管からなる加圧ローラ２内の第１のカーボンランプヒータ９は、入口下ガイド３の用紙通過面に対して角度φをなすよう配置され、透明石英管の加圧ローラ２を透過した赤外線によって、入口下ガイド３を加熱するとともに、入口下ガイド３とニップ部ｈとの空隙Ｇにおいて、用紙４０を裏面から加熱する構成としている。これによって、用紙４０は、ニップ部ｈのほか、ニップ突入前に裏面から直接加熱されることとなり、短いウォームアップ時間でトナーを加熱溶融するのに十分な熱が与えられることとなる。
【００３４】
さらに、用紙４０をトナーのない裏面から予熱するため、ニップ突入前においては、ニップ部ｈで加熱ベルト１と接触するトナー４１の表面よりも、トナー４１と用紙４０との界面温度を上げることができるため、トナー４１表面を過剰に加熱することがなく、その結果、溶融したトナーが加熱ベルト１に付着するオフセットを防止することが可能となる。なお、カーボンランプヒータ９の特性およびトナーのオフセット現象の詳細については後述する。
【００３５】
遮蔽板１０は、加圧ローラ２を透過するカーボンランプヒータ９の赤外線を吸収・遮蔽する部材であり、定着装置１５から不要な赤外線が放出するのを防止するものである。
【００３６】
加圧パッド５は、耐熱性でカーボンランプヒータ９からの赤外線を吸収する材質である。加熱ベルト１裏面と接触して加熱ベルト１を加圧ローラ２に当接させるとともに、加熱ベルト１内のカーボンランプヒータ９からの熱を吸収し、熱伝導により加熱ベルト１へ熱を伝えている。また、加熱ベルト１との摺動性を確保するために、加熱ベルト１裏面と当接する加圧パッド５表面には摺動性のよい低摩擦部材を有している。本実施例では、加圧パッド５としてフッ素ゴムを用い、その表面には低摩擦部材としてＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）がコーティングされている。
【００３７】
分離ローラ６は、耐熱性の弾性部材からなり、加熱ベルト１を介して加圧ローラ２と接触することで弾性変形し、その弾性変形によって、加熱ベルト１が加圧ローラ２とある曲率を形成している。そのため、ニップ部ｈの出口において、用紙４０の剛性によって用紙４０が加熱ベルト１と分離できる効果を有している。本実施例では、外径８ｍｍでゴム厚さ１．５ｍｍ、ゴム硬度５０度のフッ素ゴムローラとしている。
【００３８】
次に、本発明における定着装置のカーボンランプヒータ９の温度制御について、上述した図１を用いて説明する。図１中の記号１２は温度検知手段であり、加圧パッド５に設け、加圧パッド５の温度、すなわちニップ部ｈの温度がある一定温度になるよう第２のカーボンランプヒータ９の発熱を制御している。
【００３９】
一方、加圧ローラ２内の第１のカーボンランプヒータ９は、用紙４０がニップ部ｈに搬送されるごとに点灯する。これによって、ニップ部ｈ突入前に用紙を裏面から加熱する構成としている。
【００４０】
次に、カーボンランプヒータ９の特性について図３を用いて説明する。図３はカーボンランプヒータ９の断面および発熱強度分布を示している。本発明に用いたカーボンランプヒータ９は、２つの平坦な放射面９１、９２を有する平板状のカーボン発熱体９ａと石英ガラス管９ｂからなり、その内部にはアルゴンガスが封入されている。図中の矢印で示すように、カーボンランプヒータ９の赤外線放射は指向性を有しており、カーボン発熱体９ａの熱放射面９１、９２の幅方向中心に対して垂直方向に高い発熱強度を有している。図３において、符号９３は等発熱強度線を示している。
【００４１】
図４は、同等の消費電力をもつハロゲンランプヒータとカーボンランプヒータの放射強度と波長の関係を示しており、曲線Ａはカーボンランプヒータ、曲線Ｂはハロゲンランプヒータの放射強度である。この図より明らかなように、カーボンランプヒータはハロゲンランプヒータよりも波形全体が２〜５μｍほど長い波長域の方向に遷移している。一方、電子写真に用いられる用紙には水分があり、水は近赤外線０．８〜２．５μｍと赤外線領域２．５〜２５μｍに吸収特性がある。したがって、ハロゲンランプヒータよりもカーボンランプヒータの方が用紙を加熱する点において優れていることがわかる。
【００４２】
次に、定着におけるオフセット（トナーが加熱ベルトに付着する）メカニズムについて、図５および図６を用いて説明する。図５は、ニップ部ｈにおける加熱ベルト１、トナー４１、用紙４０の状態を拡大した図であり、用紙４０は図中矢印Ａの方向へ搬送される。このときトナー４１には、加熱ベルト１との接着力Ｆｔｒ、用紙４０との接着力Ｆｔｐ、トナーの凝集力Ｆｔｔの３つの力が作用している。これらの力は温度と密接な関係があり図６に示す特性がある。
【００４３】
図６は横軸が温度、縦軸がトナーに作用するＦｔｒ、Ｆｔｐ、Ｆｔｔそれぞれの力を示しており、加熱ベルト１との接着力Ｆｔｒおよび用紙４０との接着力Ｆｔｐは温度の上昇とともに大きくなるが、トナーの凝集力Ｆｔｔはある温度から小さくなる。したがって、トナーの表層からのみトナーを加熱する従来の定着の場合は、図中の×を囲んだ破線でしめすように、トナー表層の温度よりも用紙の温度が低いため、加熱ベルト１との接着力Ｆｔｒが用紙４０との接着力Ｆｔｐおよびトナーの凝集力Ｆｔｔよりも勝り、その結果、トナーが加熱ベルト１へ付着するオフセットが発生する。
【００４４】
これに対して、ニップ部ｈ突入前に用紙４０の裏面を予熱する本発明では、ニップ部ｈ突入時に既に用紙４０の温度が高くなっており、さらにニップ部ｈでトナー表面から加熱されることで、トナー４１および用紙４０の温度差が低減できる。その結果、図中の●を囲んだ実線で示すように、トナー４１と用紙４０との接着力Ｆｔｐが高く、トナー４１と加熱ベルト１との接着力Ｆｔｒが小さいため、オフセットを低減することが可能となる。
【００４５】
以上から、本発明によれば、高温オフセットを発生させることなく多種用紙に対して安定して定着できる。さらに、第１のカーボンランプヒータ９からの赤外線でニップ部ｈ突入前に用紙４０を予熱することでウォームアップ時間が短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態に係る定着装置の断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る電子写真装置の概略構成図である。
【図３】カーボンランプヒータの発熱強度分布を示す説明図である。
【図４】カーボンランプヒータの放射強度特性を示す特性図である。
【図５】ニップ部におけるトナーに作用する力の説明図である。
【図６】トナーの温度とトナーに作用する力の特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１：加熱ベルト、２：加圧ローラ、３：入口下ガイド、４：入口上ガイド、５：加圧パッド、６：分離ローラ、７：出口下ガイド、８：出口上ガイド、９：カーボンランプヒータ、９ａ：カーボン発熱体、９ｂ：石英ガラス管、１０：遮蔽板、１２：温度検知手段、１５：定着装置、１６：用紙保持手段、１７：用紙供給装置、１８：転写ベルト装置、１９：感光体、２０：帯電ローラ、２１：現像ローラ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙ、２２Ｋ：作像装置、２３：露光装置、２４：用紙排出装置、４０：用紙、４１：トナー。
【図１】
2010020124.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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