JPH04284481A - 熱定着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子写真等の画像形成装
置の熱定着装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、静電子写真プロセスを利用した画
像形成装置に用いられている熱定着装置には、その多く
が熱効率と定着性の観点から、少なくとも一方が熱発生
装置を有し、互いに圧接回転する一対のローラ等からな
る熱定着装置が用いられている。この熱発生装置を有す
るローラ（以後ヒートローラと略称）の表面には温度検
出手段としてサーミスタ素子等が接触しており、温度制
御用電源装置と協調してヒートローラの表面温度を所定
の定着温度になるように制御するようになっている。こ
のようにして加熱されたローラ間にトナー像が転写され
た転写紙を通過させることにより、熱と圧力によって転
写紙上にトナー像を定着させるのである。

【０００３】さて、上記ヒートローラとしては、シーズ
ヒータやハロゲンランプヒータ等を金属製ローラの内部
に挿入して固定した方式が一般的であるが、この金属製
ローラの表面温度を所定の温度、例えば、１３０℃に昇
温させるまでの時間が１分以上と長く、また加熱装置の
温度も２５０〜３００℃あるいはこれ以上と高く、ヒー
トローラ表面の温度変動幅が大きくなって不都合なオフ
セット現象が出やすくなるばかりでなく、消費電力も８
００Ｗ以上という大きな電力を必要としている。

【０００４】これらの問題点を改善する方法として、転
写紙と同期して移動する耐熱性樹脂からなる薄いエンド
レスフィルムを介して固定発熱装置を未定着トナー画像
を有する転写紙に密着、押圧させて熱転写させる方式が
提案されており、その実用化例が平成２年６月開催の日
本電子写真学会で発表されている。前記実用化例はＳＵ
ＲＦ方式と名付けられてキャノン（株）から平成２年２
月より発売されているもので、定着速度６ｃｐｍ（ｃｏ
ｐｙ　　ｐｅｒ　　ｍｉｎ．）／Ａ４で、定着温度まで
の昇温時間が５秒以内という条件では、固定発熱装置温
度が１８０〜１９０℃、必要加熱電力が４００〜４５０
Ｗになるという数値が公表されている。これらの数値は
このＳＵＲＦ方式が今までにない画期的な性能を実現さ
せるものであることを示している。

【０００５】さて、このＳＵＲＦ方式に関連する公知例
をほぼ時系列順に整理すると以下の通りとなる。■所定
温度に維持されている固定発熱体を定着紙と同一速度で
走行する薄いエンドレス樹脂ベルトを介して定着紙に圧
接させ、これによって定着紙上の未定着トナーを定着さ
せる方法。定着開始までの時間の短縮と消費電力の削減
が目的である。（ＵＳＰ第３，８１１，８２８号）■熱
伝導性エンドレスベルトを加熱ローラと案内ローラに掛
け渡し、定着紙を加熱ローラ側ベルトより導入、密着、
搬送させて案内ローラ側ベルトより離型させる間に、定
着紙上の未定着トナーを加熱ローラ近傍で溶融させ、案
内ローラ近傍まで搬送する間に冷却させる方法。オフセ
ット量の低減が目的である。（ＵＳＰ第３，５７８，７
９７号）■上記■の熱伝導性エンドレスベルトの材質を
テフロン、あるいは金属とするもの。（特開昭４９−７
０６３３号）■エンドレスメタルベルトを２本のローラ
に掛け渡し、このメタルベルトをランプ、直接通電また
は電磁誘導によって加熱し、このベルトの外側から上記
２本のローラの内の１本のローラと該ローラに圧接させ
ている加圧ローラとの間に定着紙を通すことによって定
着紙上の未定着トナーを定着させる方法。（実開昭５７
−１１６９６１号、実開昭５８−１９０６５９号、実開
昭６３−６８６６５号、特開平１−１４４０８４号）■
パルス的に加熱、冷却を繰り返す固定発熱体を定着紙と
同一速度で走行するエンドレス樹脂ベルトを介して定着
紙に圧接させ、これによって定着紙上の未定着トナーを
溶融、固化させることを繰り返す定着方法。（特開昭６
３−３１３１８２号、特開平１−２６３６７７号、特開
平１−２６３６８０号）■ＰＴＣ発熱体と一体的に形成
されて所定温度に維持される固定加熱体を、定着紙と同
一速度で走行するエンドレス樹脂ベルトを介して定着紙
に圧接させ、これによって定着紙上の未定着トナーを定
着させる方法。（特開平１−２６３６７９号、特開平２
−１５８７８２号）

【０００６】前記した各方法のうち、■はベルト法の基
本特許と考えられるものであり、（株）キャノンのＳＵ
ＲＦ方式はこのアイデアを初めて実用化した例である。

【０００７】■はオフセット量を最も簡便に低減させら
れる加熱・冷却法の基本特許と考えられるものである。 しかし、一旦加熱、溶融させたトナーと加熱された定着
紙表面をトナー粘度が十分大きくなる温度まで冷却させ
るのに時間を要し、このため、定着装置が大型となり、
定着速度も遅くせざるを得ないとしう欠点からその実用
化例はないようである。

【０００８】■は■の類似発明であるが、実施例の中に
「テフロン製エンドレスベルトの他、例えば鏡面のステ
ンレス薄板ベルトでも良い」との一行が見られる公知例
である。これについても実用化例はない。

【０００９】■はメタルベルトの加熱方法などについて
の公知例であるが、技術的に具体化することが難しく、
その目的も不明確で、実用化例もないようである。

【００１０】■は樹脂ベルトを介して固定発熱体で圧接
されている部分のトナーを極く短時間のパルス通電によ
って加熱し、これによってまずトナーを溶融させる。そ
の後、このパルス通電の数倍の自然冷却（発熱体の背面
構造物への伝熱）時間の間に溶融トナーの粘度が高くな
るまで冷却する。これらのパルス通電、冷却の一サイク
ルの時間で、定着紙は固定発熱体の巾でけ移動するよう
な速さで搬送される。実用的には、定着紙の移動距離は
固定発熱体の巾より短くする必要があるであろう。また
、エンドレス樹脂ベルトの実用化例（ＳＵＲＦ方式定着
器）を見るまでもなく、このベルトの厚さは３０μｍ程
度以上とすることが必要である。したがって、熱伝導性
の悪いこの厚さの樹脂系ベルトを介して加熱・冷却を実
現させるには定着速度を極端に遅くする必要があり、実
用的でない。（株）キャノンがＳＵＲＦ方式にこの自社
方式を採用せず■の方式を採用したのはこの理由による
と考えられる。

【００１１】■は■の固定発熱体の加熱源に関するもの
である。この発明の中に加熱ゾーンと冷却ゾーンを設け
る方法が記述されているが、これは■と類似の方法と考
えられる。この実用化例も存在しない。

【００１２】以上をまとめるとつぎのように整理できる
。■の方式はＳＵＲＦ方式で実証されたように、定着開
始までの待ち時間を大巾に短縮でき、しかも、同時に消
費電力まで大巾に削減することも可能とした。これが■
の発明からほぼ２０年間もの後になってやっと実用化で
きた理由は、高い剛性を持つ耐熱性の優れたポリイミド
で、膜厚の均一な薄いエンドレスベルトが製造できるよ
うになったことによる。しかし、オフセットを防止する
ためにはこのポリイミドベルトの表面に離型性材料、例
えばＰＴＦＥを薄くコートすることが必要である。この
二層フィルムが使用中に剥離すると、このベルトの寿命
となるが、現在のところ、Ａ４で５万枚程度まで使用可
能であり、これは、従来のヒートローラ式定着器の平均
寿命の１／２以下である。

【００１３】また、エンドレスベルトを回転させる場合
の常としてベルトの蛇行が発生するが、この蛇行制御に
とってもベルトの厚さを薄くすることに限界が生じ、Ｓ
ＵＲＦ方式の例ではＰＴＦＥ層を含め３０μｍ程度に設
計されている。これは固定発熱体からの効率的熱伝達と
いう点からは非常に大きな欠点ともなり、固定発熱体の
温度はトナーの必要定着温度よりかなり高く設定するこ
とが必要となる。

【００１４】また、この厚さのＰＴＦＥ／ポリイミド二
層ベルトを通しての加熱能力はポリイミド材料の耐熱性
とも関係し、定着能力として６〜１０ｃｐｍ（ｃｏｐｙ
　　ｐｅｒ　　ｍｉｎ．）／Ａ４がＳＵＲＦ方式の限界
と推定される。この二層ベルトの熱伝導性の低さは、■
の加熱・冷却方式を実用的な大きさで実現させることを
妨げ、■を非現実的なまでに遅い定着速度でしか実現さ
せ得ない原因となっている。

【００１５】さて、本発明者らは、上記■あるいはＳＵ
ＲＦ方式の優れた特徴を全て生かしつつ、これらの抱え
る問題点を解決する方法として、薄いエンドレス樹脂ベ
ルトの代わりにエンドレスメタルベルトを用い、固定発
熱体としてＰＴＣサーミスタヒータを用いる熱定着装置
を発明し、特許出願した（特願平２−２９３９８６号）
。また、加熱能力の点からＰＴＣヒータの使えない中速
機領域の定着器に対しては、エンドレスメタルベルトを
用いると共に、固定発熱体の代わりに発熱体と冷却体を
連結して一体化した固定発熱・冷却体を用いる熱定着装
置を発明し、特許出願した（特願平２−３３９０７９号
）。

【００１６】本発明者らの上記特許出願発明に係る熱定
着装置は、定着速度の遅い低速機領域においては、発熱
体として特にＰＴＣヒータを用いることが可能となり、
ＳＵＲＦ方式の利点に加えて長寿命、低消費電力、安全
性、部品点数の大巾削減による低コスト化など、非常に
大きな実用的効果を得ている。またＳＵＲＦ方式が適用
できない中速機以上の領域に対してもベルト方式が実用
可能となり、特に一体型固定発熱・冷却体を用いること
によって、オフセットが発生しない定着器であって、昇
温時間の大巾短縮、消費電力の大巾削減、しかも寿命は
従来のヒートローラと同等という大きな特徴を発揮でき
るものとなっている。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、本発明
者らの特許出願発明（特願平２−２９３９８６号、特願
平２−３３９０７９号）による熱定着装置は、低速機か
ら中速機以上の全領域に対して大きな実用効果を発揮す
る装置となっている。しかし、ＰＴＣヒータの利用でき
る低速機領域に対しては、固定発熱体として、特に冷却
体を組み合わせた構造とはしておらず、オフセットの発
生という点ではあまり温度マージンの大きくない方法を
採っていた。

【００１８】そこで、本発明の目的は、上記熱定着装置
の温度マージンを拡大し、低速機領域に対しても完全に
オフセットの発生を簡便に防止できる熱定着装置を提供
することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するために次の基本的構成を採用する。すなわち、
少なくとも一方に発熱部材を備えた互いに圧接回転する
一対のローラと、未定着トナー像を持つ像支持体を上記
ローラ間に通過させて該未定着トナー像を熱溶融定着さ
せる熱定着装置において、上記発熱体部材を備えたロー
ラが、支持体を兼ねる冷却装置とＰＴＣサーミスタヒー
タ素子を熱源とする熱発生装置からなる一体構造型加熱
・冷却デバイスと、該デバイスと接して回転し、像支持
体と接する外側表面を潤滑性樹脂で表面加工した薄いエ
ンドレスメタルベルトと該メタルベルトに張力を与えな
がら該メタルベルトを回転駆動させる駆動用ローラと、
からなる熱定着装置である。

【００２０】

【作用】本発明の熱発生装置と冷却装置は、これと接し
て回転するエンドレスメタルベルトの転写紙導入側を加
熱し、出口側を冷却する機能を持っている。このため、
転写紙導入側でその融点以上に加熱された未定着トナー
は転写紙に溶融浸透し、出口側で冷却した後、このエン
ドレスメタルベルトと分離することになる。エンドレス
メタルベルトの表面には潤滑性樹脂を被覆してあるので
、上記温度条件さえ満足させられれば低温オフセットや
高温オフセットがもはや発生することがない。しかも、
上記ＰＴＣサーミスタヒータ素子を熱源とする熱発生装
置の加熱温度と冷却装置の冷却温度の許容範囲が非常に
広く、温度制御が容易であるという特徴を持っている。

【００２１】これらのことは、同程度のガラス転移点を
持つトナーであれば全てのトナーに対して良好な定着が
できるとともに、サイズの異なる転写紙を混合して熱定
着させる場合でも低温オフセットや高温オフセットが発
生しないという新しい性能を持っていることをも示して
いる。狭いニップ巾の範囲内で加熱と冷却ができるのも
熱伝導性の良いエンドレスメタルベルトを採用している
からに外ならない。また、ＰＴＣサーミスタヒータ素子
の適用は温度センサ、温度制御用電源、マイコン制御な
どを完全に不要化し、部品点数の大巾削減と小型化、低
コスト化に大きな実用効果をもたらす。

【００２２】本発明の支持体は熱伝導性の高い金属材料
からなり、その放冷部からの放熱により、特別に冷却部
材を付設することなく、支持体に冷却装置としての機能
を兼用させることができる。また支持体は断面形状を凹
字状にすることで、上端部を放冷部とすることができ、
さらには支持体の適宜の箇所にフィンを設けても放熱効
果が上がる。これらの放冷部を積極的に冷却したい場合
にはファンで送風してもよい。

【００２３】熱発生装置はＰＴＣサーミスタヒータ素子
を置換できるので、大きく異なるガラス転移点を持つト
ナーに対しては、その要求性能に応じて適宜のキューリ
ー温度を持つＰＴＣサーミスタヒータ素子を選択するこ
とが出来る。

【００２４】

【実施例】以下、添付図面に基づいて本発明の実施例を
説明する。なお、本実施例は、本発明者らの特許出願発
明（特願平２−２９３９８６号、特願平２−３３９０７
９号、「熱定着装置」）による熱定着装置の実施例に記
載した金属製環状フィルムからなるベルト部分、熱発生
装置を除くヒートローラ部分、加圧ローラ部分の構成を
包含し、熱定着装置の改良に関するものである。ただし
、発熱源はＰＣＴヒータを用いる。

【００２５】図１は本発明の熱定着装置の断面図である
。熱定着装置はヒートローラ１２と加圧ローラ１３とか
らなる。ヒートローラ１２は、大きく分けて加熱・冷却
デバイス１１、外側表面を潤滑性樹脂で被覆したエンド
レスメタルベルト６、およびメタルベルト６を加熱・冷
却デバイス１１に密着させながら加圧ローラ１３と同期
させて回転させるドライブローラ７とからなっている。 そして、加熱・冷却デバイス１１は、ＰＴＣサーミスタ
ヒータ１、通電用スプリング電極２、断熱材３、アルミ
フレーム４ならびにこれらを包み込んで固定されている
薄いステンレス板５からなっている。また、加圧ローラ
１３は回転軸芯にシリコーンゴムやフッ素ゴム等からな
る耐熱弾性体１０を厚く被覆したもので、３〜１０ｋｇ
の力でヒートローラ１２に押しつけられている。この加
圧力は、加圧ローラの耐熱弾性体の硬さ、定着器の巾（
転写紙Ａ４〜Ａ３サイズに適用可能な巾）、定着速度、
加熱温度、冷却温度と加熱能力、冷却能力等によって最
適範囲が決定される。本実施例では、従来のヒートロー
ラに比べて加圧ローラ１３の変形量がほぼ半減し、この
ため、加圧力を小さくすることが可能となって、紙しわ
などの発生が大巾に低減する利点を持っている。さらに
加圧ローラ１３の変形量の半減はこのローラ寿命をほぼ
二倍に伸ばし、事実上保守不要とすることが可能となっ
た。

【００２６】ＰＴＣサーミスタヒータ１はスプリング電
極２によって通電加熱され、断熱材３によってほとんど
の発熱量はＰＴＣヒータ１に接している部分のステンレ
ス薄板５に伝えられる。このステンレス板５はＰＴＣヒ
ータ１の固定のために用いる。ステンレス板５の厚さは
組み立て易さを考慮して１００〜１５０μｍとしている
が、この板厚方向への伝熱量に比べて板平面方向への流
出熱量は小さく、ほとんど無視できる程度である。これ
はステンレスが金属とは言え、その熱伝導率が比較的小
さいという特徴を用いているためでもある。

【００２７】ＰＴＣヒータ１のキュリー温度は熱伝導性
の良い薄いステンレス板５とメタルベルト６によってト
ナーの必要定着温度より１０〜２０℃高めのものを選択
すれば十分である。しかし、融点の似かよった数種類の
トナーに共通に使える熱定着装置が実現できればコスト
的に有利であり、製品設計上でも共通化ができて大きな
メリットとなる。このためにはもう少し高めのキュリー
温度を持つＰＴＣヒータ１を採用すれば良い。このよう
な場合でもオフセットは冷却後、離型する本方式によっ
て完全に除去することが可能となった。このように、キ
ュリー点の異なるＰＴＣヒータ１を２〜３種類準備する
だけで、外観上全く同一の熱定着装置で全ての低速機用
定着器として使用できる例は他に見られないものである
。

【００２８】図１の加熱・冷却デバイス１１の左半分が
この大きな効果をもたらす冷却部である。本実施例はＰ
ＴＣヒータ１が利用できる低速機領域での熱定着装置に
関するもので、冷却能力もあまり大きくする必要のない
ケースである。例えば、必要定着温度１２０℃の未定着
トナー８をＰＴＣヒータ１で加熱する場合、ＰＴＣヒー
タ１のキュリー温度は１４０℃であれば充分である。そ
して、定着後のトナーを冷却・離型する時にオフセット
を発生させないためには、トナー温度を１００℃程度ま
で低下させれば充分である。このためには加熱・冷却デ
バイス１１のアルミフレーム４の冷却部の温度を８０℃
程度以下に保持できれば良く、これがフレーム４の材質
を熱伝導性の良いアルミニウムにする理由である。この
アルミニウムは少し複雑な断面形状でも充分な精度で押
し出し成形が可能であり、軽くて低コストな冷却兼用フ
レーム４の材料として最適である。そのため図１に示す
ように断面凹字状とすることは簡単であり、このアルミ
フレーム４に要求される剛性と放熱面積を同時に満足さ
せられることになる。

【００２９】なお、本熱定着装置には必ずしも空冷用フ
ァンを必要としないが、長時間の連続使用を前提とする
熱定着装置を提供する場合、加熱・冷却デバイス１１と
ドライブローラ７の間に冷却用エアーを流すことが効果
的な方法となる。あるいは、アルミフレーム４に冷却用
フィン（図示せず。）を取り付けることで、自然冷却法
を採用することも効果的である。

【００３０】潤滑性樹脂コート付きのメタルベルト６に
ついては本発明者らの特許出願発明（特願平２−２９３
９８６号、「熱定着装置」）に詳しく述べたが、前記特
許出願発明の記載事項がそのまま本実施例にも適用でき
る。しかし、ここではさらに合理化された製造方法につ
いて簡単に述べておく。ステンレス製円型母型の表面に
電鋳して、例えば、Ｎｉベルトを厚さ３０μｍ形成する
。この同じ電鋳溶中で通電極性を逆転させ、約５μｍ程
度電解エッチングを行うと、Ｎｉ表面はディンプル形状
の凹凸面となり、最も望ましいフッ素樹脂（ＰＴＦＥ）
コート面とすることができる。この方法は電鋳溶を一種
類とし、完全な連続一貫プロセスで潤滑性樹脂コート付
きのメタルベルト６を安価に製造できる方法である。そ
して、このメタルベルト６の使用寿命はポリイミドの数
倍であり、通常のヒートローラと同一寿命となることを
確認している。

【００３１】このメタルベルト６と加熱・冷却デバイス
１１のステンレス薄板構造を採用することによって、Ｐ
ＴＣサーミスタヒータ１の最高温度は未定着トナー８の
必要定着温度の２０〜３０℃高にとどまり、本デバイス
１１の最高温度を大巾に低減させることが可能となった
。これは定着紙の詰まりなどによる異常加熱があっても
事故にならず、これに加えて自己制御型ＰＴＣサーミス
タヒータ１の本質的安全性が本熱定着装置の非常に高い
安全性を保障するものにしている。

【００３２】メタルベルト６と加熱・冷却デバイス１１
との摺動を良好に維持するには、本発明者らの特許出願
発明（特願平２−２９３９８６号、「熱定着装置」）に
あるように、メタルベルト６の内側か、またはステンレ
ス薄板５の外面に潤滑化処理をすることが必要である。

【００３３】また、加熱・冷却デバイス１１の像支持体
入口側の断面の曲率を出口側の曲率より大きくすること
も効果的である。

【００３４】また、稼動までの立ち上がり時間の短いこ
と、封筒定着機能が生ずることも、本発明者らの特許出
願発明（特願平２−２９３９８６号、特願平２−３３９
０７９号「熱定着装置」）に述べた通りである。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、以下のような特徴を持
つ熱定着装置を提供できる。すなわち、予備加熱なしに
クイックスタートが可能で、保守不要の長寿命で、低消
費電力、本質安全性、異形紙混合定着、封筒定着、トナ
ーの種類に左右されずにオフセットレス化などを実現、
さらに温度センサ、温度制御電源、マイコン制御、分離
爪、オイルパッドなどを完全に不要とし、部品点数の大
巾削減、小型、低コスト化を実現した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の熱定着装置の断面図である
。

【符号の説明】

１　　ＰＴＣサーミスタヒータ ２　　スプリング電極 ３　　断熱材 ４　　アルミフレーム ５　　ステンレス薄板 ６　　メタルベルト ７　　ドライブローラ １０　　耐熱弾性体 １１　　加熱・冷却デバイス １２　　ヒートローラ １３　　加圧ローラ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　少なくとも一方に発熱部材を備えた互
   いに圧接回転する一対のローラと、未定着トナー像を持
   つ像支持体を上記ローラ間に通過させて該未定着トナー
   像を熱溶融定着させる熱定着装置において、上記発熱部
   材を備えたローラが、支持体を兼ねる冷却装置とＰＴＣ
   サーミスタヒータ素子を熱源とする熱発生装置からなる
   一体構造型加熱冷却デバイスと、該デバイスと接して回
   転し、像支持体と接する外側表面を潤滑性樹脂で表面加
   工した薄いエンドレスメタルベルトと、該メタルベルト
   に張力を与えながら該メタルベルトを回転駆動させる駆
   動用ローラと、からなることを特徴とする熱定着装置。
2. 【請求項２】　　冷却装置は熱伝導性の高い金属材料か
   らなり、放冷部を有する支持体であることを特徴とする
   請求項１記載の熱定着装置。
3. 【請求項３】　　支持体は断面凹字状の形状としたこと
   を特徴とする請求項１記載の熱定着装置。
4. 【請求項４】　　支持体の放冷部は支持体に設けられた
   放熱用のフィンであることを特徴とする請求項１記載の
   熱定着装置。
5. 【請求項５】　　支持体に設けられる熱発生装置は互い
   に異なるキュリー温度を持つＰＴＣサーミスタヒータ素
   子を置換できる構造としたことを特徴とする請求項１記
   載の熱発生装置。
6. 【請求項６】　　請求項１乃至５いずれかに記載の熱定
   着装置を用いることを特徴とする電子写真装置。