(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空形状の加熱ローラと、該加熱ローラに圧接する加圧ローラとを有し、前記加熱ローラと前記加圧ローラとの間に記録体を通過させることにより、該記録体上のトナー像を加熱定着する定着装置において、
少なくとも前記加熱ローラの内周面に接する当接面が弾性部材で形成された押圧部材と、
上下に分割された軸受半体で構成される軸受の外周を、コイルばねで囲繞する支持手段と、
前記加圧ローラを前記加熱ローラに圧接させる付勢手段とを有することを特徴とする定着装置。
【請求項２】
前記軸受は、
不動部材に固定された第１の軸受半体と、
内周面に前記加熱ローラの外周面下半分が当接し、前記不動部材に対して移動可能に設けられた第２の軸受半体とを有することを特徴とする請求項１記載の定着装置。
【請求項３】
更に、前記押圧部材を前記加熱ローラの内周面に対して接離させる作動手段を有することを特徴とする請求項１又は２記載の定着装置。
【請求項４】
更に、前記記録体の大きさ及び枚数を検知する検知手段を有し、
小サイズの記録体が前記加熱ローラと前記加圧ローラとの間を通過することを検知したときには、前記作動手段が前記押圧部材を前記加熱ローラと接する又は近接する位置に保持することを特徴とする請求項３に記載の定着装置。
【請求項５】
前記押圧部材が、軸および弾性体のみで成形されていることを特徴とする請求項１ないし４の何れか１つに記載の定着装置。
【請求項６】
前記押圧部材が板状であることを特徴とする請求項１ないし５の何れか１つに記載の定着装置。
【請求項７】
前記押圧部材が半円柱状であることを特徴とする請求項１ないし５の何れか１つに記載の定着装置。
【請求項８】
前記押圧部材が蒲鉾状であることを特徴とする請求項１ないし５の何れか１つに記載の定着装置。
【請求項９】
前記コイルばねが環状ばねであることを特徴とする請求項１ないし８の何れか１つに記載の定着装置。
【請求項１０】
一連の画像形成プロセスによって形成された画像を記録体に記録する画像形成装置であって、請求項１ないし９の何れか１つに記載の定着装置を備えることを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子写真複写機、プリンター、ＦＡＸなどの画像形成装置における定着装置、特に加熱ローラと加圧ローラとを有する加熱定着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像形成装置においては一般に、トナー像を付着した記録紙を、加熱ローラとこれに圧接した加圧ローラとの間に通してトナー像を加熱溶融することで、記録紙上にトナー像を定着する加熱ローラ方式の定着装置が用いられる。
加熱ローラ方式の代表的な構成は、内部に熱源としてのハロゲンランプを備えた加熱ローラに加圧ローラを接するように配置したものであり、、ハロゲンランプの発熱と両ローラの圧接力とで、トナー像を溶融して記録体に定着させる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが上記の構成では、加熱ローラが現像剤の溶融に必要な温度まで昇温するのに数分の時間を要するため立ち上げ時間が長く、操作開始後の速やかな記録開始という操作性の向上をねらうためには記録動作を行なっていない待機時においても定着部に電力を供給し、加熱ローラを一定の温度に保つ必要がある。この待機時消費電力は画像形成装置の全体の消費電力量の大きな比率を占め、低消費電力化を図る妨げとなっている。
【０００４】
実開平６−２５８５０号公報の図１に見られる装置においては、加圧ローラを中空構造として、その熱容量を小さくすることで、表面温度の速やかな上昇を狙っているが、加熱ローラをとおして２次的に加熱されるため、その効果には限界があり、加熱ローラへの待機時電力供給を止めることができない。
【０００５】
そこで、金属やセラミックス、ガラスなどからなる筒状の基体の外表面に発熱パタンを印刷あるいは溶射等により被着させた加熱ローラが提案されている。このような加熱ローラでは、ローラ表面で熱が発生することにより、加熱効率が高まり、立ち上げ時間の大幅な短縮が可能である。しかし、加熱ローラへの待機時電力供給を止めるにはさらに、立ち上がりを早くしなければならず、これには上記基体の熱容量を小さくすることが効果的であることがわかっている。
【０００６】
熱容量を小さくするためには、加熱ローラの基体の体積を小さくすればよく、基体の体積を小さくするには、基体の径を小さく、かつ、厚さを薄くすればよい。
【０００７】
しかし、一般に複写機のトナーを効率よく定着するには、十分なニップを得るために加圧ローラによる圧接力を必要とする。この圧接力は上記加熱ローラに加わるので、体積を減らした加熱ローラの基体では、非印字時に加熱ローラがたわんだ状態に保持され、加熱ローラの劣化、破損など、機械強度の点で問題となる。また、複写機、レーザープリンタ、ＰＰＦ等の記録装置を移動させるときなどに、振動が記録装置に加わり、それによって加熱ローラが破損してしまうという不具合も発生する。
【０００８】
加熱ローラのたわみの減少を目的とするものとしては、上記実開平６−２５８５０号公報の図１に示されるように、熱容量の小さい中空の加圧ローラに貫通軸を付加しているものがある。しかし、貫通軸を設けると、加熱ローラを昇温させ、これに伴って加圧ローラも昇温させる際に、この貫通軸が熱を吸収してしまうので、両ローラの速やかな昇温の妨げとなるという不具合がある。
【０００９】
加熱ローラのたわみの減少を達成しようとするものとしては他に、特公昭６３−２４９８７５号公報の図１に示されるようなものがある。これは、加熱ローラを加圧ローラとたわみ防止ローラで挟み込み、加熱ローラのたわみが低減されている。しかしこの方式では、加熱ローラを上下で挟み込んでいるため、加熱ローラ自体の強度が必要となり、加熱ローラの厚さを薄くして熱容量を減らすと加熱ローラ自身が破壊されてしまうため、大きな圧接力を必要とする高速機への対応が困難であるという不具合がある。
【００１０】
よって、現状では、加熱ローラのたわみを防止しつつ、速やかな温度上昇を得られ、高速機に対応できるだけの強度を持った加熱機構は実現されていない。特に、表面発熱方式の中でも、低コストであるという点で優れているガラスパイプを加熱ローラの基材として用いた場合には、加圧力によって、ガラスが破損してしまう可能性がある。本発明はこれらの点に鑑み、なされたものである。
【００１１】
本発明は、上記不具合を解決し、加熱ローラのたわみを防止する定着装置を提供するものである。本発明はまた、立ち上がり時間の短縮により所望の発熱を低い消費電力で得られ、経済性及び信頼性が高い定着装置を提供するものである。本発明はまた、小サイズ紙を通紙した場合に生じる非通過部温度上昇を低減して高画質を得ることができる定着装置を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、中空形状の加熱ローラと、該加熱ローラに圧接する加圧ローラとを有し、前記加熱ローラと前記加圧ローラとの間に記録体を通過させることにより、該記録体上のトナー像を加熱定着する定着装置において、少なくとも前記加熱ローラの内周面に接する当接面が弾性部材で形成された押圧部材と、上下に分割された軸受半体で構成される軸受の外周を、コイルばねで囲繞する支持手段と、前記加圧ローラを前記加熱ローラに圧接させる付勢手段とを有することを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、前記軸受は、不動部材に固定された第１の軸受半体と、内周面に前記加熱ローラの外周面下半分が当接し、前記不動部材に対して移動可能に設けられた第２の軸受半体とを有することを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の発明は、更に、前記押圧部材を前記加熱ローラの内周面に対して接離させる作動手段を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明は、更に、前記記録体の大きさ及び枚数を検知する検知手段を有し、小サイズの記録体が前記加熱ローラと前記加圧ローラとの間を通過することを検知したときには、前記作動手段が前記押圧部材を前記加熱ローラと接する又は近接する位置に保持することを特徴とする。
【００１６】
請求項５記載の発明は、前記押圧部材が、軸および弾性体のみで成形されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項６記載の発明は、前記押圧部材が板状であることを特徴とする。
【００１８】
請求項７記載の発明は、前記押圧部材が半円柱状であることを特徴とする。
【００１９】
請求項８記載の発明は、前記押圧部材が蒲鉾状であることを特徴とする。
請求項９記載の発明は、前記コイルばねが環状ばねであることを特徴とする。
請求項１０記載の発明は、一連の画像形成プロセスによって形成された画像を記録体に記録する画像形成装置であって、請求項１ないし９の何れか１つに記載の定着装置を備えることを特徴とする。
【００２０】
【実施例】
図１ないし図４において、符号１は加熱ローラ、符号３は加熱ローラ１に圧接する加圧ローラをそれぞれ示している。加熱ローラ１は、中心線を含む水平面で上下に分割された半円筒状の軸受半体４ａと同４ｂとからなる軸受４を介して不動部材１５に支持され、図示しない駆動手段によってその端部に設けられた歯車５を介して回転駆動される。加熱ローラ１は筒状をなし、その周壁に発熱層を有する。
【００２１】
加熱ローラ１の筒内に挿入された押圧部材２は、芯材１２に貫通された軸６の端部に設けられた軸受７を介して不動部材１５に支持される。押圧部材２は作動手段８により、不動部材１５に設けた長孔に沿って軸受７を鉛直方向（図１ないし図４において上下方向）に移動させることにより加熱ローラ１の内周面に対して接離される。押圧部材２の長さは加熱ローラ１よりも長く、円柱状をなしている。
【００２２】
加圧ローラ２は、その中心軸９の端部の軸受１０に設けられた付勢手段１１によって加熱ローラ１に一定の圧力で圧接されると共に、不動部材１５に設けられた長孔により鉛直方向に一定の自由度を持って不動部材１５に支持され、加熱ローラ１に従動回転する。本実施例は、その他に、操作者の指示や周知の機構により定着の情報を入力され加熱ローラ１と加圧ローラ３との間を通過する記録体の大きさ及び枚数を検知する図示しない検知手段とを有している。
【００２３】
軸受４の外周はコイルばねからなる環状ばね１４で囲繞されていて、両軸受半体４ａ、４ｂを一体とする方向に付勢している。上半分の軸受半体４ａは不動部材１５に固定されており、下半分の軸受半体４ｂは不動部材１５に対して上下方向に移動可能に設けられ、下半分の軸受半体４ｂの内周面には加熱ローラ１の外周面下半分が常に当接している。環状ばね１４の弾性力は、押圧部材２の加熱ローラへの過剰な圧力を吸収する程度に設定されている。軸受４と環状ばね１４とは、支持手段を構成している。
【００２４】
加熱ローラ１は筒状のアルミにセラミック層の絶縁層を形成したものを基体とし、これにセラミック発熱体を溶射で面状に形成したものであり、発熱体に通電することで発熱する。加熱ローラ１の基体としては、アルミでなくとも鉄あるいはそれらの合金などの金属に、セラミック層以外の耐熱高分子層・アルマイトなどの酸化膜等の絶縁層を形成したものを用いてもよいし、セラミック、ガラス、耐熱プラスチックなどの絶縁体を用いてもよい。基体の形状は中空形状に形成されるのであれば筒状ではなくベルト状のものを用いてもよい。発熱抵抗には、セラミック発熱体でなくともニクロム・Ｔａ２Ｎ・ＲｕＯ２・Ａｇ／Ｐｄ等を用いてもよく、これを溶射でなく塗布・印刷などで、面状以外の線状に形成してもよい。
【００２５】
押圧部材２は、金属で形成される芯材１２上に、弾性部材としてのシリコンゴムの弾性体１３を形成することにより構成されている。押圧部材２の構造は、少なくとも加熱ローラ１の内周面に接する当接面が弾性部材で形成されていればよく、図５（ａ）に示すように、芯材がなく、軸６及び弾性体１３のみで成形されるものでもよい。
【００２６】
その形状は、本実施例や図５（ａ）に示すような円柱状でなくとも、図５（ｂ）に示すような板状のものでもよいが、板状の場合は少ない面積に圧力が集中してしまい、そこから加熱ローラ１が破損しやすいという不具合があるため、広い面積で加熱ローラ１の内周面と接触する図５（ｃ）の半円柱状、図５（ｄ）の蒲鉾状などが好ましい。押圧部材２はコストが低く、ヤング率の高い鉄、アルミあるいはこれらの合金、セラミック、プラスチック等非金属のみで形成してもよい。
【００２７】
加圧ローラ３表面にはトナーに対する離型性をよくするためシリコンゴムの層（図示せず）が形成されている。
押圧部材２を加熱ローラ１の内周面に対して接離させる作動手段８としては、アーム、バネ、及びソレノイドを使用した周知のものを用いているが、押圧部材２を加熱ローラ１の内周面に対して一定量、確実に接離できるものであれば、どのようなものでもよい。
【００２８】
付勢手段１１は、ばね等を用いた周知の構成から成り、加熱ローラ１と加圧ローラの間の圧接力を一定に保ちつつ、下半分の軸受半体４ｂの鉛直方向への移動に従動し、また、その圧接力は加熱ローラ１と加圧ローラ３間に相互圧接部であるニップ部を形成する。
【００２９】
図１、図２に示すように、記録体をニップ部に通過させ定着を行なわないとき、つまり、電源がオフした状態にある時又は電源がオンしているときでも定着待機状態にある時には、押圧部材２は加熱ローラ１内面に接触した位置に保持され、加熱ローラ１のたわみを防止する（以下、第１の状態という）。押圧部材２の長さは加熱ローラ１より長く、加熱ローラ１の内周面において軸方向全体に当接しているので加圧ローラ３からの圧接力を加熱ローラ１のみで受けるのではなく、加熱ローラ１内部の押圧部材２によって受けることができる。
【００３０】
押圧部材２が金属などの堅いもののみからなるときは、押圧部材２と加熱ローラ１との接触時の位置は精度よく設定する必要があり、また、押圧部材２による加熱ローラ１への圧力が大きすぎると、加熱ローラ１は曲げ方向の圧力を受けて変形し、破壊されることもある。
【００３１】
しかし、本実施例は、加熱ローラ１への当接面を弾性部材で形成した押圧部材２と、弾性力が適当に設定されている環状ばね１４により分割可能に構成されている支持手段と、加圧ローラ３を一定の圧力で加熱ローラ１に当接させ、加圧ローラ３に鉛直方向に一定の自由度を持たせながら支持する付勢手段１１とを有している。
【００３２】
従って、押圧部材２の加熱ローラ１への過剰な圧力つまり加熱ローラ１のたわみを防止するのに必要な圧力以上の圧力は、まず弾性体１３で吸収され、さらに軸受４が分割され下半分の軸受半体４ｂが下方に移動して環状ばね１４が伸びることにより吸収され、加熱ローラ１の下方への移動による加圧ローラ３への過剰な圧力は付勢手段１１により吸収される。
【００３３】
よって、加熱ローラ１は押圧部材２と加圧ローラ３との間でたわみを防止するのに必要かつ十分な一定の圧力で固定され、加熱ローラ１は、その劣化、破損を防止される。また、加熱ローラ１内部に固いゴミなどが混入しても、押圧部材２の表面が変形できるため、ゴミにより、加熱ローラ１が傷ついたり、そこから破損してしまうという問題もなくなる。
【００３４】
図２、図４に示すように、コピー開始ボタンが押下され、あるいは、定着の情報が入力され、定着を開始するときには、作動手段８により、押圧部材２を加熱ローラ１内周面から離れた状態に保持する（以下、第２の状態という）。記録体は装置内部に供給され、所定の画像が、静電記録プロセスにより感光体上に形成され、さらに供給された記録体上に転写されることで、記録体上にトナー画像が形成される。加熱ローラ１が定着可能温度に到達後、トナー画像が形成された記録体が、ニップ部に搬送され定着が行なわれる。
【００３５】
この際、加熱ローラ１の昇温時に、押圧部材２を一緒に加熱することにより加熱時間が長くなってしまうという不具合がなくなり、加熱ローラ１のみを効率よく加熱することができるため、立ち上がり時間の短縮を図ることができ、ユーザの待ち時間を短くすることができる。加圧ローラ３は、駆動される加熱ローラ１に従動して回転するため、トナー画像を記録体と共に加熱ローラ１と加圧ローラ３の間に通過させても、トナー画像を乱すことなく定着を行なうことができる。加熱ローラ１ではなく、加圧ローラ３により駆動を行なってもよい。
【００３６】
なお、第２の状態において、押圧部材２と加熱ローラ１との距離は、あまり近すぎると押圧部材２が加熱ローラ１の熱を奪い、加熱時間が長くなる。逆に遠すぎると加熱ローラ１の径を大きくする必要があり、加熱ローラ１の熱容量が増えて、加熱ローラ１全体を加熱するための時間が長くなることや、加熱時間短縮化のために大きな電力を必要とすることなどの不具合が生じる。本実施例では、上記の距離は３ｍｍとしているが、１ｍｍ〜１０ｍｍの間に設定されればよい。
実際に記録装置を作成して、定着を行なった。その詳細を、実験例として次に示す。
【００３７】
0003566467.tif 000002
作動手段８を設けずに、常時押圧部材２が加熱ローラ１に接触した状態で加熱を行なったときと比較すると、本例の方が、加熱時間を短くすることができた。
【００３８】
従来、本発明のような昇温時間の早い加熱定着装置においては、加熱ローラ及び加圧ローラの軸方向の温度分布を均一にすることが困難であった。記録体の両ローラの軸方向の大きさ、すなわち幅方向の大きさが比較的小さい記録体（以下、小サイズ体という）が通過する両ローラの通過部では、未定着トナー及びこれを表面に有する記録体の加熱のために熱が消費されるが、通過部以外の非通過部では記録体により熱が奪われないので、加熱ローラの熱は蓄熱し、この非通過部のニップ部の温度が、所定温度に維持管理される通過部のニップ部の温度よりも高くなってしまい、いわゆる非通過部温度上昇が発生する。
【００３９】
このため小サイズ体を連続通過した後、これよりも幅の大きい記録体（以下、大サイズ体という）を通過した場合（例えばＢ５サイズの記録体を連続通過した後、Ａ４サイズの記録体を通過する場合）、大サイズ体に定着ムラやしわが発生したり、未定着トナー像の非通過部に対応した部分のトナーが溶けすぎて定着ローラに付着し記録体の表面を汚す、いわゆるホットオフセット等の問題が生じていた。
【００４０】
また、非通過部と通過部で大きな温度差が生じると、高温部と低温部での熱膨張の違いから歪みが生じ、劣化するという問題もある。特に、ガラスやセラミックスのパイプ表面に発熱抵抗体を形成した加熱ローラの場合には、非通過部温度上昇による熱膨張により、通過部と非通過部で加熱ローラ径が異なってしまい、加熱ローラが破損してしまうという不具合も生じてしまう。
【００４１】
図６（ａ）に示すように、本実施例では、小サイズ体を連続通過する場合には、これを検知した検知手段が作動手段８（図３参照）を駆動し、押圧部材２を加熱ローラ１の内周面の上部の軽く当接する位置に保持する。加熱ローラ１の熱は熱伝導、及び放射によって押圧部材２に吸収される。高温の非通過部では低温の通過部よりも多くの熱が押圧部材２に吸収されるので、両部の温度が均一化される。
【００４２】
押圧部材２を軸方向の温度分布を均一にする手段として兼用することにより、特別の手段を付加することなく、低コストで非通過部温度上昇も解決している。押圧部材２は円筒状をなし、加熱ローラ１に従動回転するので、加熱ローラ１に過剰な負荷を与えることがない。押圧部材２が保持される位置は、非通過部温度上昇を防止できるのであれば図６（ｂ）に示すように、加熱ローラ１の内周面の近傍でもよい。
コピーが終了すると、定着装置の各部材は、第１の状態から第２の状態とされたときとは逆の動作が行われ、第２の状態から第１の状態に戻される。
【００４３】
図７に示す定着装置は、画像形成装置に比較的大きな振動が加えられるような場合、例えば記録装置の移動時の、定着装置の構成を示したものである。各部材は第１の状態とされ、押圧部材２は、不動部材１５にネジ１７で固定された固定部材１６により、その軸６と軸受７が不動部材１５に対して固定されている。これにより、移動時における加圧ローラ３の圧接力や振動を、加熱ローラ１、押圧部材２、固定部材１６を通して不動部材１５で受けることができ、加熱ローラ１に大きな応力が加わって、破損することがない。振動を吸収するために、少なくとも押圧部材表面は、弾性部材など、変形可能な材料で構成するのが、より好ましい。移動が終了し定着装置を使用するときには、固定部材１６は取り除かれる。
【００４４】
本発明によれば、押圧部材の加熱ローラへの過剰な圧力つまり加熱ローラのたわみを防止するのに必要な圧力以上の圧力を、弾性部材、コイルばね、付勢手段によって吸収し、加熱ローラを、押圧部材と加圧ローラとの間でたわみを防止するのに必要十分な一定の圧力で固定し、加熱ローラの劣化、破損を防止することができるとともに、押圧部材が加熱ローラに弾性的に当接されるので、押圧部材と加熱ローラとの接触位置を比較的ラフに設定しても、加熱ローラのたわみを防止しつつ、変形や破損、加熱ローラ内のごみによる加熱ローラの傷や破損を防止でき、信頼性が向上しており、また、たわみを防止する押圧部材を加熱ローラ内部に備えるため、加熱ローラ外部にたわみ防止のための機構を備えるものより全体の構成を小さくすることができる。
【００４５】
また、作動手段により、押圧部材が加熱ローラ内周面に当接されているときは、加圧ローラの加熱ローラへの圧接力を加熱ローラだけでなく押圧部材でも受けるので、加熱ローラとして中空の基体を使用しても、非印字時でも、常時加圧ローラからの加圧力を加熱ローラだけで受けることがなく、変形や破損を防止することができるので、熱容量の小さい加熱ローラを使用することができる。加熱時には、加熱ローラだけを加熱することが可能となり、これにより昇温時間の短縮ができ待機時の予熱が必要なく、トータルで消費電力が大幅に低減される定着装置を得ることができる。
【００４６】
また、押圧部材を加熱ローラの熱を吸収する非通過部温度上昇低減の手段として兼用するため、低コストで、信頼性の確保と加熱時間の短縮と非通過部温度上昇の低減をはかることができる。
【００４７】
また、半円柱状の押圧部材では、広い面積で加熱ローラの内周面と接触することで、少ない面積に圧力が集中すると加熱ローラが破損し易いという不具合に対する効果がある。
【００４８】
また、蒲鉾状の押圧部材では、広い面積で加熱ローラの内周面と接触することで、少ない面積に圧力が集中すると加熱ローラが破損し易いという不具合に対する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す定着装置の一部断面正面図であって、第１の状態を示す図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】本発明の実施例を示す定着装置の一部断面正面図であって、第２の状態を示す図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】押圧部材の他の形状の例を示す図である。
【図６】非通過部温度上昇を防止するために押圧部材が保持される位置を示す図である。
【図７】本発明の実施例を示す定着装置において、各構成が固定部材により固定された状態を示すための図である。
【符号の説明】
１      加熱ローラ
２      押圧部材
３      加圧ローラ
４、１４  支持手段
８      作動手段
１１      付勢手段
１５      不動部材
１６      固定部材
【図１】
0003566467.tif 000003
【図２】
0003566467.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003566467.tif 000008
【図７】
0003566467.tif 000009