(57)【要約】【課題】ヒーターから定着部材への熱伝達効率を向上させてヒーターの変形や破損を防止できる定着装置を提供する。【解決手段】定着装置は、回転可能な無端状の定着部材２１と、前記定着部材２１を加熱するヒーター２３と、前記ヒーター２３を、前記定着部材２１の内周面に接触するように保持するホルダー２５と、前記定着部材２１の内周面の側とは反対側において、前記ヒーター２３と前記ホルダー２５との間に形成される空隙Ｇと、前記定着部材２１を介して前記ヒーター２３に押し付けられて、前記定着部材２１との間に加圧領域Ｎを形成する加圧部材２７と、を備える。前記定着ベルト２１の回転方向における、前記ヒーター２３の長さをＬ１、前記加圧領域Ｎの長さをＬ２、前記空隙Ｇの長さをＬ３、としたときに、Ｌ３＜Ｌ２＜Ｌ１の関係が成り立つ。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能な無端状の定着部材と、
前記定着部材を加熱するヒーターと、
前記ヒーターを、前記定着部材の内周面に接触するように保持するホルダーと、
前記定着部材の内周面の側とは反対側において、前記ヒーターと前記ホルダーとの間に形成される空隙と、
前記定着部材を介して前記ヒーターに押し付けられて、前記定着部材との間に加圧領域を形成する加圧部材と、を備え、
前記定着部材の回転方向における、前記ヒーターの長さをＬ１、前記加圧領域の長さをＬ２、前記空隙の長さをＬ３、としたときに、
Ｌ３＜Ｌ２＜Ｌ１の関係が成り立つことを特徴とする定着装置。
【請求項２】
前記空隙の長さＬ３は３ｍｍ〜８ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
【請求項３】
前記ホルダーの厚さが３ｍｍの場合、前記空隙の高さは０．２ｍｍ〜１．０ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
【請求項４】
用紙にトナー像を形成する画像形成部と、
前記トナー像を前記用紙に定着する請求項１〜３のいずれか１項に記載の定着装置と、を備えてい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、用紙にトナー像を定着させる定着装置及びこの定着装置を備えた画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
定着装置には、定着ベルトを介して加圧ローラーをヒーターに押し付けて、定着ベルトと加圧ローラーとの間に加圧領域を形成し、加圧領域を通過する用紙を加熱及び加圧して、トナー像を用紙に定着する構成を有するものがある。ヒーターとしては、ホルダーに支持された面状ヒーターが使用される場合が多い。ヒーターから定着ベルトへの伝熱効率が悪い場合、ホルダーが過度に加熱されて熱応力が発生し、ヒーターに応力がかかって該ヒーターが変形したり破損したりする場合がある。
【０００３】
そこで、特許文献１に記載されているように、面状ヒーターを保持するホルダーと面状ヒーターとの間に空隙が形成される場合がある。空隙によって、面状ヒーターからホルダーへの伝熱を抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１５４００５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら上記特許文献１に記載されているように空隙を設けた場合、加圧領域において加圧ローラーから圧力がかかると、空隙の寸法によっては、ホルダーがヒーターを支えきれず、ヒーターが破損する虞がある。
【０００６】
本発明は上記事情を考慮し、ヒーターから定着部材への熱伝達効率を向上させてヒーターの変形や破損を防止できる定着装置及びこの定着装置を備える画像形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の定着装置は、回転可能な無端状の定着部材と、前記定着部材を加熱するヒーターと、前記ヒーターを、前記定着部材の内周面に接触するように保持するホルダーと、前記定着部材の内周面の側とは反対側において、前記ヒーターと前記ホルダーとの間に形成される空隙と、前記定着部材を介して前記ヒーターに押し付けられて、前記定着部材との間に加圧領域を形成する加圧部材と、を備え、前記定着部材の回転方向における、前記ヒーターの長さをＬ１、前記加圧領域の長さをＬ２、前記空隙の長さをＬ３、としたときに、Ｌ３＜Ｌ２＜Ｌ１の関係が成り立つことを特徴とする。
【０００８】
本発明の定着装置において、前記空隙の長さＬ３は３ｍｍ〜８ｍｍであることを特徴としても良い。
【０００９】
本発明の定着装置において、前記ホルダーの厚さが３ｍｍの場合、前記空隙の高さは０．２ｍｍ〜１．０ｍｍであることを特徴としても良い。
【００１０】
本発明の画像形成装置は、紙にトナー像を形成する画像形成部と、前記トナー像を前記用紙に定着する上記に記載の定着装置と、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ヒーターの長さを長くすることで、定着ベルトを効率的に加熱することができる一方で、加圧領域の長さを空隙の長さよりも長くすることで、加圧部材の圧力によるヒーターの変形や破損を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係るプリンターの内部構成を模式的に示す正面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る定着装置を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る定着装置の加圧領域付近を拡大して示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る定着装置において、空隙の幅と耐圧荷重及び昇温時間との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態に係る定着装置において、空隙の高さと昇温時間との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ本発明の画像形成装置及び定着装置について説明する。
【００１４】
まず、図１を用いて、画像形成装置としてのプリンターの全体の構成について説明する。図１はプリンター１の内部構成を模式的に示す正面図である。以下、図１における紙面手前側をプリンター１の正面側（前側）とし、左右の向きはプリンター１を正面から見た方向を基準として説明する。各図のＬ及びＲは、それぞれ左方向及び右方向を示す。
【００１５】
プリンター１の装置本体２には、用紙Ｓが収容される給紙カセット３と、給紙カセット３から用紙Ｓを送り出す給紙装置５と、用紙Ｓにトナー像を形成する画像形成部７と、トナー像を用紙Ｓに定着する定着装置９と、用紙Ｓを排紙する排紙装置１１と、排紙された用紙Ｓが受け止められる排紙トレイ１３と、が備えられている。さらに、装置本体２には、給紙装置５から、画像形成部７と定着装置９とを通って排紙装置１１に向かう用紙Ｓの搬送経路１５が形成されている。
【００１６】
次に、定着装置９について、図２及び図３を参照して説明する。図２は定着装置の断面図、図３は加圧領域付近を拡大した図である。
【００１７】
図２に示されるように、定着装置９は、定着部材としての定着ベルト２１と、定着ベルト２１を加熱するヒーター２３と、ヒーター２３を保持するホルダー２５と、定着ベルト２１との間に加圧領域Ｎを形成する加圧部材としての加圧ローラー２７と、を備えている。
【００１８】
定着ベルト２１は、所定の内径を有し、用紙Ｓの幅よりも長い幅を有する無端状ベルトである。定着ベルト２１は、可撓性を有する材料で形成され、基材層と、基材層の外周面に設けられる弾性層と、弾性層の外周面に設けられる離型層と、を有している。基材層は、ＳＵＳやＮｉ等の金属で形成される。弾性層は、シリコンゴム等で形成される。離型層は、ＰＦＡチューブ等で形成される。基材層の内周面に摺動層が形成される場合もある。摺動層は、ポリイミドアミドやＰＴＦＥ等で形成される。
【００１９】
定着ベルト２１の中空部には、ステー３１が貫通している。ステー３１は、下面が開口したチャンネル状の部材であり、ステンレスやアルミニウム等の金属で形成される。定着ベルト２１は、ステー３１に支持されたベルトガイド（図示省略）に回転可能に支持されている。
【００２０】
ヒーター２３は、定着ベルト２１の幅方向Ｘに沿う長さと同等の長さを有する面状ヒーターである。面状ヒーターは、ステンレスやセラミック製の基板と、ガラス等から成る電気絶縁層と、電極を有する抵抗発熱体層と、保護層とが、順番に積層された積層構造を有している。電極を通して抵抗発熱体層に通電することで抵抗発熱体層が発熱する。
【００２１】
ホルダー２５は、定着ベルト２１の幅方向Ｘに沿った長さと同等の長さの略半円柱状の部材であり、定着ベルト２１の内周面に沿うように湾曲した外周部３３と、平坦な内周部３５と、を有している。外周部３３は、定着ベルト２１の曲率よりもやや小さい曲率を有している。ホルダー２５は、例えば、液晶ポリマー等の耐熱性の樹脂で形成されている。
【００２２】
外周部３３の頂部には、幅方向Ｘに沿って収容凹部３７が形成されている。この収容凹部３７に、ヒーター２３が嵌め込まれている。ヒーター２３は、外周部３３の一部を成している。収容凹部３７の底部には、定着ベルト２１の回転方向における中央部に、幅方向Ｘに沿って凹部４１が形成されている。凹部４１は、断面視において定着ベルト２１の回転方向に長い矩形状を有している。凹部４１の寸法については後述する。このような凹部４１を設けることにより、収容凹部３７に嵌め込まれたヒーター２３とホルダー２５の凹部４１との間に空隙Ｇが形成されることになる、また、内周部３５には、幅方向Ｘに沿って取付凹部４３が形成されている。
【００２３】
ホルダー２５は、ステー３１に支持されている。詳細には、ホルダー２５の内周部３５に形成された取付凹部４３がステー３１に固定されて、ヒーター２３と、ホルダー２５の外周部３３の一部と、が、定着ベルト２１の内周面に接触している。
【００２４】
加圧ローラー２７は、芯金と、芯金の外周面に設けられる弾性層と、弾性層の外周面に設けられる離型層と、を有している。弾性層は、シリコンゴム等で形成される。離型層は、ＰＦＡチューブ等で形成される。
【００２５】
加圧ローラー２７は、定着ベルト２１を介して、ヒーター２３を含むホルダー２５の外周部３３に押し付けられるように支持されている。これにより、定着ベルト２１と加圧ローラー２７との間に加圧領域Ｎが形成される。加圧ローラー２７はモーター４５によって駆動されて回転する。加圧ローラー２７がモーター４５で駆動されて回転すると、定着ベルト２１は、加圧ローラー２７とは反対の方向に従動回転する。これにより、加圧領域Ｎを用紙Ｓが通過する。
【００２６】
ここで、図３に示されるように、定着ベルト２１の回転方向における、ヒーター２３の長さをＬ１、加圧領域Ｎの長さをＬ２、空隙Ｇ（凹部４１）の長さをＬ３、とすると、
Ｌ３＜Ｌ２＜Ｌ１の関係が成り立っている。ヒーター２３の長さＬ１とは、前述の面状ヒーターにおいて、発熱体である抵抗発熱体層の長さではなく、基板の長さを示す。
【００２７】
上記構成を有する定着装置９の定着動作について説明する。まず、加圧ローラー２７がモーター４５によって駆動されて回転し、定着ベルト２１は、加圧ローラー２７の回転方向とは反対の図２の時計回り方向に従動回転する。同時に、ヒーター２３が駆動されて定着ベルト２１を加熱する。定着ベルト２１は、所定の制御温度（例えば、１６０℃）となるまで加熱される。このように定着ベルト２１が加熱された後、トナー像が転写された用紙Ｓが加圧領域Ｎに搬送される。用紙Ｓは加圧領域Ｎを通過時に、定着ベルト２１によって加熱されると共に加圧ローラー２７と定着ベルト２１とによって加圧されて、トナー像が用紙Ｓに定着される。トナー像が定着された用紙Ｓは、加圧領域Ｎから搬送経路１５に沿って搬送される。
【００２８】
前述のようにヒーター２３から発生した熱は、定着ベルト２１に伝導すると共にホルダー２５にも伝導する。しかし、ホルダー２５とヒーター２３との間には空隙Ｇが形成されているので、空隙Ｇが断熱層となって、ホルダー２５への熱の伝導を抑制して定着ベルト２１への熱の伝導を促進している。
【００２９】
上記説明したように、本発明の定着装置９においては、定着ベルト２１の回転方向における、ヒーター２３の長さをＬ１、加圧領域Ｎの長さをＬ２、空隙Ｇの長さをＬ３、とすると、Ｌ３＜Ｌ２＜Ｌ１の関係が成り立っている。このため、ヒーター２３から定着ベルト２１への伝熱効率を向上できると共にヒーター２３の破損や変形を防止することができる。
【００３０】
すなわち、ヒーター２３の長さＬ１を長くすることで、定着ベルト２１とヒーター２３との接触面積が増え、定着ベルト２１を効率的に加熱することができる。一方で、加圧領域Ｎの長さＬ２を空隙Ｇの長さＬ３よりも長くすることで、加圧領域Ｎにおいて加圧ローラー２７からヒーター２３に圧力がかかっても、ホルダー２５の収容凹部３７でヒーター２３を支えることができるので、加圧ローラー２７からの圧力によってヒーター２３が破損するような事態が生じない。
【００３１】
なお、加圧領域Ｎの長さＬ２＜空隙Ｇの長さＬ３＜ヒーター２３の長さＬ１の場合は、空隙Ｇ内の非加圧領域の部分で、ヒーター２３から定着ベルト２１への伝熱効率が低下し、ヒーター２３が高温になり熱応力によって破損や変形する虞がある。また、空隙Ｇの長さＬ３＜ヒーター２３の長さＬ１＜加圧領域Ｎの長さＬ２の場合は、加圧領域Ｎがヒーター２３によって十分に加熱されない虞があるので、定着不良が発生する場合がある。
【００３２】
次に、実験例に基づいて得られた空隙Ｇの好適な寸法例について説明する。
【００３３】
まず、空隙Ｇの長さＬ３について説明する。空隙Ｇの長さの下限は、定着ベルト２１の昇温時間で決定され、上限はヒーター２３の耐圧荷重で決定される。昇温時間とは、ヒーター２３をオンしてから制御温度に達するまでの時間を示す。
【００３４】
所定の実験機に、下記の条件を備える定着装置を搭載して定着動作を行った際の、空隙Ｇの長さと昇温時間及び耐圧荷重との関係を求めた。
ヒーター２３の長さＬ１：１３ｍｍ、
加圧領域Ｎの長さＬ２：１０ｍｍ、
空隙Ｇの高さＨ１：０．６ｍｍ、
定着動作に必要な加圧領域Ｎの荷重：１２０ＭＰａ。
【００３５】
実験結果を図４のグラフに示す。グラフの横軸は空隙Ｇの長さＬ３（ｍｍ）、左側の縦軸は耐圧荷重（ＭＰａ）、右側の縦軸は定着ベルト２１の昇温時間（秒）である。
【００３６】
グラフより、耐圧荷重は、空隙Ｇの長さＬ３が長くなるほど直線状に低下していることがわかる。すなわち、空隙Ｇの長さＬ３が長くなると、ホルダー２５の収容凹部３７の底面とヒーター２３との接触面積が狭くなり、ホルダー２５によってヒーター２３が十分に支えきれなくなり、ヒーター２３の耐圧荷重が低下する。定着動作に必要な加圧領域Ｎの荷重は１２０ＭＰａであるので、この例では、空隙Ｇの長さが約８ｍｍよりも短いことが必要となる。
【００３７】
また、昇温時間は、空隙Ｇの長さＬ３が長くなるほど短くなっている。つまり、空隙Ｇの長さＬ３が長いと、すなわち、空隙Ｇの体積が増えると、ヒーター２３からホルダー２５への伝熱が抑制される一方で定着ベルト２１への伝熱が促進されるので、昇温時間が短くなると考えられる。昇温時間は、空隙Ｇの長さＬ３が６ｍｍ程度までは急激に減少し、６ｍｍ以降はほぼ一定となる。ウォームアップ時間の短縮を考慮すると、昇温時間は８秒以下であることが要求されるので、この例では、空隙Ｇの長さは約３ｍｍよりも長いことが必要となる。
【００３８】
上記結果より、空隙の長さＬ３を３ｍｍ〜８ｍｍとすることで、加圧領域Ｎでの加圧ローラー２７からの圧力によるヒーター２３の破損を防止しつつ、定着ベルト２１を短時間で昇温することができる。
【００３９】
なお、ヒーター２３の長さＬ１、加圧領域Ｎの長さＬ２、空隙Ｇの長さＬ３は、
０．６１５＜Ｌ２／Ｌ１＜１、
０．２３≦Ｌ３／Ｌ１≦０．６１５、
の関係を満足する場合に、上記の効果を奏することができる。
【００４０】
次に、空隙Ｇの高さＨ１について説明する。空隙Ｇの高さＨ１の下限は、定着ベルト２１の昇温時間によって決定され、上限はホルダー２５の強度で決定される。
【００４１】
前記の実験機に、下記の条件を備える定着装置を搭載して定着動作を行った際の、空隙Ｇの高さＨ１と昇温時間及び耐圧荷重との関係を求めた。
ヒーター２３の長さＬ１：１３ｍｍ、
加圧領域Ｎの長さＬ２：１０ｍｍ、
空隙Ｇの長さＬ３：６ｍｍ、
定着動作に必要な加圧領域Ｎの荷重：１２０ＭＰａ、
ホルダー２５の厚さＨ２（外周部３３の収容凹部３７の底面と内周部３５の取付凹部４３の底面との間の厚さ）：３ｍｍ、
ホルダー２５の材質：液晶ポリマー。
【００４２】
実験結果を図５のグラフに示す。グラフの横軸は空隙Ｇの高さＨ１（ｍｍ）、縦軸は昇温時間（秒）である。
【００４３】
グラフより、昇温時間は、空隙Ｇの高さＨ１が高くなるほど短くなっている。この場合も、空隙Ｇの高さＨ１が高いと、すなわち、空隙Ｇの体積が増えると、ヒーター２３からホルダー２５への伝熱が抑制される一方で定着ベルト２１への伝熱が促進されるので、昇温時間が短くなると考えられる。昇温時間は、空隙Ｇの高さＨ１が約０．５ｍｍまでは急激に減少し、０．５ｍｍ以降はほぼ一定となる。定着ベルト２１の昇温時間は、前述のように８秒以下であることが要求されるので、この例では、空隙Ｇの高さＨ１は０．２ｍよりも高いことが必要となる。
【００４４】
一方で、液晶ポリマー製のホルダー２５の厚さＨ２を３ｍｍとすると、定着動作に必要な加圧領域Ｎの荷重である１２０ＭＰａの荷重に耐えられる空隙Ｇの高さＨ１の上限は１ｍｍである。
【００４５】
上記結果より、空隙Ｇの高さＨ１を０．２ｍｍ〜１．０ｍｍとすることで、定着ベルト２１を短時間で昇温することができると共に、加圧領域Ｎでの加圧ローラー２７からの圧力によるヒーター２３の破損を防止できる。
【００４６】
なお、上記の実験例で得られた空隙Ｇの長さＬ３や高さＨ１は、上記の実験条件に適した値であって、プリンター１の仕様によって適宜変更される。
【００４７】
なお、空隙Ｇの断面形状は、矩形状の他に、三角形状や半円状であっても良い。
【００４８】
上記した本発明の実施形態の説明は、本発明に係る定着装置及び画像形成装置における好適な実施の形態を説明しているため、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。すなわち、上記した本発明の実施の形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、かつ、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能であり、上記した本発明の実施の形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。
【符号の説明】
【００４９】
１  プリンター（画像形成装置）
７  画像形成部
９  定着装置
２１  定着ベルト（定着部材）
２３  ヒーター
２５  ホルダー
２７  加圧ローラー（加圧部材）
Ｇ  空隙
Ｎ  加圧領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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