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JP2010217218A - 定着ベルト及びそれを備えた定着装置 - Google Patents

定着ベルト及びそれを備えた定着装置 Download PDF

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JP2010217218A JP2009060471A JP2009060471A JP2010217218A JP 2010217218 A JP2010217218 A JP 2010217218A JP 2009060471 A JP2009060471 A JP 2009060471A JP 2009060471 A JP2009060471 A JP 2009060471A JP 2010217218 A JP2010217218 A JP 2010217218A
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Yasushi Abe
康司 阿部
Hideaki Yamada
英明 山田
Yuichi Hatase
雄一 畑瀬
Shigemitsu Tani
繁満 谷
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Abstract

【課題】定着ベルトを、耐熱温度まで温度上昇し難くなるように構成する。
【解決手段】定着ベルト2は、被記録材上のトナー像を定着する定着装置1に用いられるものであって、筒状をしている。定着ベルト2は、内周側から基層2aと中間層2bと表層2cとの少なくとも三層構造に形成されている。中間層2bは、シリーコン樹脂を含有して構成されている。基層2aは、ポリイミド樹脂及びカーボンブラックを含有して構成されている。
【選択図】図3

Description

本発明は、定着ベルト及びそれを備えた定着装置に関するものである。
従来より、電子写真装置等に設けられて、被記録材上のトナー像を定着する定着装置が知られている。
そして、このような定着装置としては、特許文献1に開示された定着装置のように、円筒状に形成された定着ベルトと、該定着ベルトを内周面から熱輻射によって加熱する加熱源と、定着ベルトの外周面に対して当接した状態で加圧して定着ニップを形成すると共に、その状態で回転駆動することによって該定着ベルトを従動回転させる加圧ローラと、定着ベルト内に配設されて、加圧ローラからの加圧力を定着ベルトの内周側から受け止めて該定着ベルトを支持する支持体とを備えているものが知られている。この定着装置は、起動すると、加圧ローラの回転駆動を開始し、それと同時に加熱源を作動させる。すると、定着ベルトは、加圧ローラの回転につられて従動回転すると共に、加熱源からの熱エネルギーをその内周面で受けて加熱される。こうして、定着ベルトの温度が所定の温度に達すると、被記録材としての記録用紙が定着ニップへ搬送され、定着ニップを通過する。その際に、記録用紙上のトナー像は、加熱されると共に加圧されて、記録用紙上に定着される。
特許文献1に係る定着装置においては、定着ベルトを、透明なポリイミドフィルムの基層と、透明なシリコーンゴムの中間層と、輻射吸収性を有するFEPの表層との三層構造としている。こうすることで、加熱源からの熱線のほとんどが基層及び中間層を透過して、表層に吸収されるようにしている。これにより、定着ベルトが早期に加熱されるようして、定着装置の立ち上げ時間を短縮している。
また、特許文献2に開示された定着装置においては、定着ベルトの温度を、温度センサによって測定しており、その測定温度をもとに加熱源を制御することによって、定着ベルトを所定の温度に保っている。さらに、この定着装置には、安全装置としてサーモスタットや温度ヒューズ等の保護部材を定着ベルトに対向して設けており、この安全装置によって定着ベルトの温度が過度に上昇したときには加熱源の通電を停止するようにしている。
特開2006−133294号公報 特開2006−251479号公報
しかしながら、特許文献1に開示された定着装置は、定着ベルトの基層及び中間層には熱線をほとんど吸収させず、ほとんどの熱線を表層に吸収させている。かかる構成は、定着ベルトを早期に加熱する点においては好ましいが、加熱源の制御機構や温度センサが故障するなどの異常が起きたときには、定着ベルトの表層の熱容量が小さいため、定着ベルトの温度が容易に耐熱温度を超えてしまうという問題がある。
そこで、定着装置に特許文献2に開示されたような安全装置を設けることも考えられるが、その場合であっても、以下のような問題が生じる。すなわち、例えば、加熱源がON状態で且つ定着ベルトの回転が停止してしまった異常状態においては、定着ベルトの同じ部分が加熱され続ける。ここで、通常は、安全装置が定着ベルトの温度上昇を検知して、加熱源への通電を停止する。しかしながら、定着ベルトの表層だけに熱線を吸収させる場合には、該表層の熱容量が小さいため、該表層は急激に昇温する。その結果、安全装置が作動する前に、定着ベルトの表層の温度がその耐熱温度を超えてしまう虞が依然ある。
このように、定着ベルトを早期に昇温させるべく、表層のみに熱線を吸収させる構成においては、安全装置を備えていたとしても、その安全装置が作動する前に、定着ベルトが耐熱温度を超えて温度上昇してしまう虞が依然ある。
ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、定着ベルトを、耐熱温度を超えるまでの温度上昇を短時間にはし難くなるように構成することにある。
ここに開示する定着ベルト及び定着装置は、内周側から基層と中間層と表層との少なくとも三層構造に形成された定着ベルトにおいて、相対的に薄い表層だけでなく、シリコーン樹脂を含有して構成された中間層が耐熱温度を超え易いという知見に基づいてなされたものである。
具体的には、ここに開示する定着ベルトは、被記録材上のトナー像を定着する定着装置に用いられる筒状の定着ベルトであって、内周側から基層と中間層と表層との少なくとも三層構造に形成され、前記基層は、ポリイミド樹脂を含有して構成され、前記中間層は、シリコーン樹脂を含有して構成され、前記中間層と前記表層との間には、接着層が設けられており、前記接着層は、カーボンブラックを含有しているものとする。
また、別の定着ベルトは、被記録材上のトナー像を定着する定着装置に用いられる筒状の定着ベルトであって、内周側から基層と中間層と表層との少なくとも三層構造に形成され、前記基層は、ポリイミド樹脂を含有して構成され、前記中間層は、シリコーン樹脂を含有して構成され、前記中間層と前記表層との間には、接着層が設けられており、前記接着層は、黒色に構成されているものとする。
さらに別の定着ベルトは、被記録材上のトナー像を定着する定着装置に用いられる筒状の定着ベルトであって、内周側から基層と中間層と表層との少なくとも三層構造に形成され、前記基層は、ポリイミド樹脂を含有して構成され、前記中間層は、シリコーン樹脂を含有して構成され、前記中間層と前記表層との間には接着層が設けられており、前記接着層は、内周側からの光を透過させないように構成されているものとする。
また、別の定着ベルトは、被記録材上のトナー像を定着する定着装置に用いられる筒状の定着ベルトであって、内周側から基層と中間層と表層との少なくとも三層構造に形成され、前記中間層は、シリーコン樹脂を含有して構成され、前記基層は、ポリイミド樹脂及びカーボンブラックを含有して構成されているものとする。
また、別の定着ベルトは、被記録材上のトナー像を定着する定着装置に用いられる筒状の定着ベルトであって、内周側から基層と中間層と表層との少なくとも三層構造に形成され、前記中間層は、シリーコン樹脂を含有して構成され、前記基層は、ポリイミド樹脂を含有していると共に黒色に構成されているものとする。
さらに、別の定着ベルトは、被記録材上のトナー像を定着する定着装置に用いられる筒状の定着ベルトであって、内周側から基層と中間層と表層との少なくとも三層構造に形成され、前記中間層は、シリーコン樹脂を含有して構成され、前記基層は、ポリイミド樹脂を含有していると共に、内周側からの光を透過させないように構成されているものとする。
また、ここに開示する定着装置は、被記録材上のトナー像を定着する定着装置であって、上記の何れか1つの定着ベルトと、前記定着ベルト内に配設されると共に、該定着ベルトを内周面から熱輻射によって加熱する加熱源と、前記定着ベルトの外周面に対して当接した状態で加圧して定着ニップを形成すると共に、その状態で回転する加圧ローラと、前記定着ベルト内に配設されて、前記加圧ローラからの加圧力を前記定着ベルトの内周側から受け止めて該定着ベルトを支持する支持体と、前記定着ベルトに対向して配設されると共に、該定着ベルトの温度を検知して、その検知した温度が所定の温度以上のときには前記加熱源を停止させる安全装置と、を備えているものとする。
この定着ベルトによれば、中間層と基層との間の接着層にカーボンブラックを含有させることによって、定着ベルトの内周側から輻射熱により加熱される場合に熱線の大部分を該接着層で吸収することができるため、表層の過度の温度上昇を抑制し、定着ベルトを耐熱温度まで温度上昇し難くすることができる。
また、別の定着ベルトによれば、中間層と表層との間の接着層を黒色に構成することによって、定着ベルトの内周側から輻射熱により加熱される場合に熱線の大部分を該接着層で吸収することができるため、表層の過度の温度上昇を抑制し、定着ベルトを耐熱温度まで温度上昇し難くすることができる。
さらに、別の定着ベルトによれば、中間層と表層との間の接着層を、光を透過させないように構成することによって、定着ベルトの内周側から輻射熱により加熱される場合に熱線が表層に入射することを抑制することができるため、表層の過度の温度上昇を抑制し、定着ベルトを耐熱温度まで温度上昇し難くすることができる。
また、別の定着ベルトによれば、耐熱温度が比較的高い、ポリイミド樹脂を含有して構成された基層にカーボンブラックを含有させることによって、定着ベルトの内周側から輻射熱により加熱される場合に熱線の大部分を該基層で吸収することができるため、中間層の過度の温度上昇を抑制し、定着ベルトを耐熱温度まで温度上昇し難くすることができる。
また、別の定着ベルトによれば、耐熱温度が比較的高い、ポリイミド樹脂を含有して構成された基層を黒色に構成することによって、定着ベルトの内周側から輻射熱により加熱される場合に熱線の大部分を該基層で吸収することができるため、中間層の過度の温度上昇を抑制し、定着ベルトを耐熱温度まで温度上昇し難くすることができる。
さらに、別の定着ベルトによれば、基層を、光を透過させないように構成することによって、定着ベルトの内周側から輻射熱により加熱される場合に熱線が中間層に入射することを抑制することができるため、中間層の過度の温度上昇を抑制し、定着ベルトを耐熱温度まで温度上昇し難くすることができる。
さらにまた、別の定着ベルトによれば、シリコーン樹脂を含有して構成される中間層の熱伝導率を高くすることによって、中間層で吸収した輻射熱を、基層や表層に迅速に熱伝導させることができるため、中間層の過度の温度上昇を抑制し、定着ベルトを耐熱温度まで温度上昇し難くすることができる。
また、この定着装置によれば、前記の何れかの定着ベルトを備えているため、定着ベルトを耐熱温度まで温度上昇し難くすることができる。その結果、安全装置が作動する前に、定着ベルトの温度が耐熱温度を超えることを防止することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態1に係る定着装置1の横断面図であり、図2は、定着装置1の分解斜視図である。以下、本明細書において、横断面とは、長手方向に直交する断面を意味し、縦断面とは、長手方向に沿った断面を意味する。
定着装置1は、図1,2に示すように、所定の軸方向に延びる筒状に形成された可撓性を有する定着ベルト2と、該定着ベルト2が所定の回転経路に沿って回転するように該定着ベルト2をその両端部において支持する経路形成部材3と、該定着ベルト2の外周面に押し当てられて該定着ベルト2との間で定着ニップNを形成し且つ該定着ニップNを通過する被記録材19を加圧する加圧ローラ4と、定着ベルト2の内部に配設されて、加圧ローラ4に加圧される定着ベルト2を内側から支持する支持体5と、定着ベルト2の内部に配設されて該定着ベルト2を内周面から加熱するハロゲンランプ6と、ハロゲンランプ6から支持体5を遮蔽する遮蔽板7と、定着ベルト2の外周面に対して径方向の外側から対向し、定着ベルト2の温度が過剰に上昇したときにハロゲンランプ6の通電を停止するように作動する安全装置としてのサーモスタット9とを備えている。
この定着装置1においては、加圧ローラ4を支持体5に対応する位置において定着ベルト2の外周面に押し当てることによって、定着ベルト2が加圧ローラ4と支持体5とで挟持された状態となり、定着ベルト2と加圧ローラ4との間の定着ニップNが形成される。この状態で加圧ローラ4が回転駆動されると、定着ベルト2は加圧ローラ4との摩擦力によって従動回転する。このとき、定着ベルト2は、経路形成部材3によって規制されて、所定の回転経路に沿って回転する。また、定着ベルト2は、ハロゲンランプ6からの輻射により内周側から加熱されている。このとき、支持体5は、遮蔽板7によって遮蔽されているため、ハロゲンランプ6からの熱線によって加熱されることはない。こうして、定着装置1は、定着ニップNに搬送されてくる被記録材19を、定着ベルト2によって加熱すると共に加圧ローラ4によって加圧して、該被記録材19上に形成されたトナー像を定着する。
尚、本実施形態に係る定着装置1は、定着できる最大幅がA3サイズの用紙の幅に設定されている。
以下、定着装置1の各構成について詳しく説明する。
(定着ベルト)
図3は、定着ベルト2の断面構造を示す図である。
前記定着ベルト2は、無端ベルトであって、内側から順に基層2a、中間層2b及び表層2cの三層構造となっている。定着ベルト2は、内径を34mmとし、全長(即ち、軸方向の長さ)をA3サイズの用紙の定着を可能とすべく340mmとした。また、その内面には、摺動摩擦を低減し且つ耐久性を確保するために、耐熱性のグリースを付与している。
前記基層2aは、厚さが90μmのフィルム状の部材である。基層2aは、耐熱性のポリイミド樹脂にカーボンブラックを含有して構成されている。基層2aは、カーボンブラックを含有することで黒色に構成されている。カーボンブラックの量は、20重量%である。尚、この基層2aの厚さは、40μm〜150μm程度の範囲とすることが好ましい。
またハロゲンランプ6からの熱線の吸収を良くするためには、基層2aは、熱放射率が0.9以上あるものが好ましく、ポリイミド樹脂にカーボンブラックの他、グラファイト、酸化鉄等を分散させて着色すると有効である。
さらに、基層2aには、ハロゲンランプ6からの加熱による熱膨張を抑止するために、熱膨張防止剤を分散させてもよく、例えば、ポリイミド樹脂の基層2aに、カーボン系樹脂を分散すればよい。
前記中間層2bは、柔軟性のある厚さ150μmのシリコーンゴムからなる。すなわち、中間層2bは、シリコーン樹脂を含有して構成されている。この中間層2bは、特にトナー付着量の多いカラー画像を定着する場合に、定着ベルト2表面が未定着画像の表面の凹凸に倣い易くするためのものである。この中間層2bを設けることによって、定着されたカラー画像のグロスの均一化を図ることができる。中間層2bの厚さは、必要に応じて適宜調整してよいが、好ましくは50μm〜300μmである。
また、中間層2bを構成するシリコーンゴムは、高い熱伝導率を有している。例えば、中間層2bは、熱伝導率が0.6W/(m・K)以上のシリコーンゴムで構成されている。熱伝導率を高くするためには、結晶性のシリカを混入させて構成させており、本実施形態では、結晶性のシリカの量を60重量%混入させている。尚、中間層2bは、難燃性を向上させたシリコーンゴムで構成してもよい。例えば、中間層2bは、難燃剤としての白金触媒を添加したシリコーンゴムで構成してもよい。
前記表層2cは、溶融したトナーとの分離性を良くするために、厚さが30μmのPFAで形成されている。表層2cの材料としては、離型性及び耐久性の良好な材料が好ましく、一般にはフッ素樹脂やシリコーン樹脂が適している。フッ素樹脂としては、PFA、PTFE、FEPなどが用いられる。表層2cの厚さは、トナー像への倣いやすさと耐久性の観点から適宜決められるが、好ましくは5μm〜40μm程度である。尚、この表層2cも、用いるトナーやその他の条件により必要としない場合もある。
(経路形成部材)
図4は、支持体5、ハロゲンランプ6及び遮蔽板7と経路形成部材3との関係を模式的に示す経路形成部材の正面図であり、図5は、経路形成部材3の斜視図であり、図6は、図1に示した定着装置のVI−VI線における縦断面図であり、図7は、定着ベルト2の回転経路の形状を模式的に示した横断面図である。
前記経路形成部材3は、図4,5に示すように、定着ベルト内に嵌め込まれる経路形成部材31と、該経路形成部材31に対して鍔状に接合されて定着ベルト2の軸方向端部からはみ出して該定着ベルト2の軸方向端面と対向するフランジ部33とを有しており、その中央部分には、ハロゲンランプ6や支持体5等が貫通して配置される挿通孔が形成されている。
経路形成部材3は、図6に示すように、経路形成部31が定着ベルト2の端部に嵌め込まれると共に、フランジ部33が定着装置1のフレーム11(一部のみ図示)に取り付けられる。こうして、定着ベルト2は、経路形成部材3を介してフレーム11に対して回転自在に取り付けられる。
前記経路形成部31は、概略筒状に湾曲させた板状の部材で形成されていて、その外周面に経路形成面32を有している。
経路形成面32は、曲率半径が相対的に大きい大径部32aと、曲率半径が相対的に小さい小径部32bと、平面又は曲面で形成され、これら大径部32aと小径部32bとを滑らかに接続する接続部32cとを有している。さらに詳しくは、小径部32bに対向する位置に大径部32aが設けられている。こうして、経路形成面32の横断面(即ち、定着ベルト2の軸方向に直交する断面)は、小径部32bよりも大径部32a側に膨らんでいる。換言すれば、経路形成面32の横断面は、非円形であって、鶏卵状に形成されている。本実施形態では、大径部32aの(経路形成面32の)曲率半径を約16mmとし、小径部32bの(経路形成面32の)曲率半径を約9mmとしている。ここで、小径部32bよりも大径部32a側に膨らんでいるとは、小径部32bの曲率半径を有する円(即ち、小径部32bによって円周の一部が構成される円)よりも、大径部32aが外側に位置する形状を意味する。
また、経路形成部31には切欠部31aが形成されていて、経路形成部31は、筒の一部を軸方向の全長に亘って切り取った形状をしている。詳しくは、切欠部31aを挟んで、経路形成面32の大径部32aと小径部32bとが配置されている。つまり、切欠部31aによって形成される経路形成部31の一端部には大径部32aが位置し、経路形成部31の他端部には小径部32bが位置する。また、経路形成部材3が定着装置1に組み込まれた際には、切欠部31aの位置は定着ニップNが形成される位置に相当し、定着ニップNの入口側(被記録材の入ってくる側)に大径部32aが位置する一方、定着ニップNの出口側(被記録材の出てくる側)に小径部32bが位置する。
前記フランジ部33は、概略筒状に形成された経路形成部31の軸方向の一端部において、鍔状に拡がるように設けられた平板状の部材である。フランジ部33は、経路形成部31のような切欠部を有さず、切欠部31aに相当する部分にも設けられている。このフランジ部33は、取り付け穴33a,33a,…を介してネジによりフレーム11に固定されている。フランジ部33における、経路形成部31が立設された面が、フレーム11に取り付けられる取付面33bとなる。
また、フランジ部33には(詳しくは、経路形成部材31とフランジ部33との隅部には)、経路形成部31の外周を覆って環状に形成され、該経路形成部31と同じ方向に突出する環状突出部34が設けられている。この環状突出部34は、経路形成部31の切欠部31a近傍の片寄り規制部35と、該片寄り規制部35よりもフランジ部33側に陥没したザグリ部36とで構成されている。本実施形態では、片寄り規制部35とザグリ部36との軸方向距離(即ち、段差)を1mmとしている。
本実施形態において、片寄り規制部35は、ハロゲンランプ6からの熱線が遮蔽板7に遮られる陰領域K(即ち、遮蔽板7の陰となる領域)に設けられている。換言すれば、片寄り規制部35は、ハロゲンランプ6からの熱線が遮蔽板7に遮られずに照射される照射領域Lには設けられていない。
このように構成された経路形成部材3によってフレーム11に対して回転自在に支持された定着ベルト2は、その内周面が経路形成面32に摺接しながら回転するため、全周に亘って経路形成面32と略同様の形状の経路に沿って回転する。その結果、定着ベルト2の回転経路は、図7に示すように、経路形成面32と同様に非円形であって、詳しくは、曲率半径が相対的に大きい大径部と曲率半径が相対的に小さい小径部とを有した鶏卵状となる。
尚、前述の如く、定着ニップNに相当する部分には経路形成面32が存在しないため、定着ベルト2のうち定着ニップNが形成される部分の経路は経路形成部31によって規制されない。すなわち、経路形成部31は、定着ベルト2のうち定着ニップN以外の部分の回転経路を形成する。詳しくは後述するが、定着ベルト2のうち定着ニップNが形成される部分の経路は、加圧ローラ4及び支持体5の形状、並びに、加圧ローラ4の加圧力等に起因して形成される。
このように定着ベルト2の回転経路が経路形成面32によって形成された結果、定着ベルト2のうち、定着ニップNの出口近傍の部分は、経路形成面32の小径部32bに沿って、曲率半径が小さくなっている。こうすることで、被記録材19が定着ニップNを通過して出て行くときに、被記録材19はそれ自身の復元力(こしの強さ)によって定着ベルト2から分離する。被記録材19が分離できるかどうかは、使用するトナーの種類や付着量、被記録材19の厚みやこわさ、定着ベルト2の表層の付着力の大小など様々な条件で決まる。本実施形態では、実験の結果(実験条件としては、薄紙(64g/m紙)を用いてカラー3色重ね全面べた画像を定着した場合の結果)、出口側の曲率半径が約10mm以下であれば確実に分離できることがわかった。
一方、定着ベルト2のうち、定着ニップNの出口部分の遮蔽板7を挟んで反対側の部分は、経路形成面32の大径部32aに沿って曲率半径が大きくなっていて、該定着ニップNの出口部分よりも膨らんだ形状となっている。こうすることで、定着ベルト2にできるだけ曲げのストレスを与えることなく、摺動負荷を低減することができる。また、詳しくは後述するが、定着ニップNの入口近傍に大径部32aを設けることによって、定着ベルト2内において、遮蔽体7を挟んで、定着ニップNの出口部分と対向する部分にハロゲンランプ6を配置するための広い空間を確保することができる。ここで、定着ニップNの出口部分の反対側部分が定着ニップNの出口部分よりも膨らんだ形状とは、定着ニップNの出口部分の曲率半径を有する円(即ち、定着ニップNの出口部分によって円周の一部が構成される円)よりも、該定着ニップNの出口部分の反対側部分が外側に位置する形状を意味する。
また、経路形成部31は、定着ベルト2に対して内周側から当接しているため、定着ベルト2は内側への変形が規制される。そのため、定着ベルト2は、ハロゲンランプ6との距離が確保され、ハロゲンランプ6に近接し過ぎて破損してしまうことが防止される。
また、定着ベルト2の軸方向両端部が経路形成部材3,3によって支持された状態において、定着ベルト2の各軸方向端面は、図6に示すように、該経路形成部材3の環状突出部34と対向している。定着ベルト2の両端部に設けられた片寄り規制部35,35間の軸方向の距離は、定着ベルト2の全長よりも長くなっている。詳しくは、定着ベルト2の端面は、片寄り規制部35と所定の第1間隔を有して対向している。この第1間隔は、定着装置1の運転中において、定着ベルト2の熱膨張を考慮しつつ、定着ベルト2の軸方向への移動が許容される距離に設定されている。つまり、回転する定着ベルト2は、片寄り規制部35,35によって軸方向への移動が所定の許容範囲内に規制される。
このとき、定着ベルト2の端面は、ザグリ部36とも対向しており、ザグリ部36との間の間隔は所定の第2間隔となっている。第2間隔は、第1間隔に片寄り規制部35とザグリ部36との段差を加えた距離である。この第2間隔は、停電時などで定着ベルト2の回転が停止した際に、定着ベルト2がハロゲンランプ6の余熱によって熱膨張したとしても、定着ベルト2の軸方向端面がザグリ部36に当接しないだけの距離に設定されている。すなわち、第2間隔は、異常昇温時に熱膨張により定着ベルト2が伸びる余地を最低限確保できる距離に設定されている。こうして、定着ベルト2の端面の外方には、ザグリ部36との間に逃げ空間37が形成されている。
つまり、定着ベルト2のうち陰領域Kに位置する部分は、ハロゲンランプ6からの熱線を受け難いので、停電などで定着ベルト2の回転が停止したときでも、ハロゲンランプ6の余熱による熱膨張をほとんど起こさない。逆に、定着ベルト2のうち照射領域Lに位置する部分は、ハロゲンランプ6の余熱によって熱膨張を起こす。そこで、通常運転中の定着ベルト2の軸方向移動を規制する片寄り規制部35を陰領域Kだけに設ける一方、停電時等に定着ベルト2が熱膨張する可能性がある照射領域Lには片寄り規制部35が設けられていない逃げ空間37を形成している。
尚、前記片寄り規制部35は、経路形成部31とフランジ部33との隅部に設けられているが、定着ベルト2の軸方向端面と対向するように位置する限りにおいては、任意の場所に設けることができる。例えば、片寄り規制部35を、経路形成部31の外周面との間に間隔をあけた状態でフランジ部33に設けてもよく、又はフランジ部33との間に間隔をあけた状態で経路形成部31の外周面のうち定着ベルト2から外側に出ている部分に設けてもよい。
また、経路形成面32は、この形状に限定されるものではない。ただし、定着ニップNの出口側の曲率半径を10mm以下となるように設定することが好ましい。さらには、その曲率部分を90度以上確保した上で、その他の部分をできるだけ大きく膨らませた形状にすることが好ましい。このように、定着ニップNの出口側の曲率半径を10mm以下とし、さらには、その曲率部分を90度以上確保することによって、被記録材19の分離がより確実となる。また、定着ニップNの出口側以外の部分を大きく膨らませることによって、ハロゲンランプ6を配置するための広い空間を確保することができる。
また、経路形成面32は、必ずしも全面が連続した形状である必要はなく、経路形成面32は部分的に切り欠かれた形状であってもよいことは言うまでもない。
さらに、片寄り規制部35は、前述の如く陰領域Kの全域に設けられていてもよいし、陰領域Kの一部だけに設けられていてもよい。また、片寄り規制部35は、停電などで定着ベルト2の回転が停止したときに、定着ベルト2がハロゲンランプ6の余熱により熱膨張をほとんど起こさない範囲であれば、陰領域Kから照射領域Lにはみ出して設けられていてもよい。
さらにまた、本実施形態では、環状突出部34が、片寄り規制部35とザグリ部36との2段構成になっているが、ザグリ部36がフランジ部33と面一に形成される、即ち、フランジ部33に片寄り規制部35だけが設けられる構成であっても構わない。
尚、本実施形態に係る経路形成部材3は、経路形成部31とフランジ部33とを有しているが、これに限られるものではない。例えば、経路形成部材3は、図8,9に示すように、前記経路形成面32を有すると共に前記定着ベルト2の端部に嵌め込まれる経路形成部31を有し、フランジ部を有さない構造であってもよい。経路形成部31の軸方向端面にはネジ孔が形成されており、経路形成部材3は、フレーム11に対してネジによって取り付けられる。かかる構成の場合、片寄り規制部35は、図8に示すように、フレーム11に設けられていてもよく、あるいは、図9に示すように、経路形成部31のうち定着ベルト2の軸方向端部から外側に出ている部分に設けられていてもよい。ただし、そのような場合であっても、片寄り規制部35は、定着ベルト2のうちの陰領域Kに位置する部分の軸方向端面に対向する位置にのみ設けられている。そして、逃げ空間37は、定着ベルト2のうちの照射領域Lに位置する部分の軸方向端面とフレーム11との間に形成される。
また、経路形成部材3の表面には、熱放射率の低い金属膜が形成されている。この金属膜は、経路形成面32とフランジ部33の取付面33bとを電気的に導通させる導電性被膜として機能すると共に、経路形成部31の内周面(経路形成面32と反対側の面)において、ハロゲンランプ6からの熱線を反射する反射膜として機能する。
すなわち、経路形成部材3の表面に金属膜を形成することに加えて、定着ベルト2の基層2aに導電性を持たせ且つフレーム11を金属製とすることによって、定着ベルト2を経路形成部材3を介してフレーム11と導通させることができるため、定着ベルト2が帯電することを防止することができる。こうすることで、定着ベルト2が経路形成面32と摺擦したときに該定着ベルト2が帯電し、それが原因で定着ニップNの入口側で被記録材19上の潜像を乱すということを防止することができる。また、経路形成部31の内周面に金属膜を形成することによって、ハロゲンランプ6の輻射によって経路形成部材3が経路形成部31の内周面側から加熱されることを防止することができる。
本実施形態では、経路形成部材3全体を、一般的な無電解ニッケルめっき層の中に入れることで、経路形成部材3のほぼ全面にニッケルめっきを施した。こうすることで、めっきする際に手間のかかるマスキングなどの工程を省くことができる。尚、金属膜としては、無電解ニッケルめっき以外に、薄肉のアルミ箔で形成してもよい。
尚、本実施形態では、取付面33bに金属膜を形成しているが、これに限られるものではなく、経路形成面32とフレーム11とを電気的に導通させる構成であれば任意の構成を採用することができる。例えば、取付面33bに金属膜を形成せず、フランジ部33の経路形成面32からフレーム11まで、フランジ部33の経路形成部31が取り付けられている側の面及びネジを介して電気的に導通させる構成であってもよい。図8,9に示す、フランジ部を有さない経路形成部材3の場合には、フレーム11に当接する経路形成部31の軸方向端面と、経路形成面32とに金属膜を連続的に形成すればよい。
(加圧ローラ)
加圧ローラ4は、直径18mmのSUS製の芯金4aと、該芯金4aの外周面上に形成されたシリコーンゴム4bと、シリコーンゴム4bの外周面に形成された厚さ50μmのPFA層(図示省略)とを有している。加圧ローラ4全体としての外径は、24mmである。シリコーンゴム4bは、厚みを約3mm、硬度を10度(JIS−A)、熱伝導率を0.4W/m・Kとしている。加圧ローラ4の全長(即ち、外径24mm部分の軸方向の長さ)は、定着ベルト2よりも若干短い332mmとした。
この加圧ローラ4は、その軸心が定着ベルト2の軸方向と平行となった状態で、該定着ベルト2に対して外周側から当接し且つ押し付けられている。詳しくは、加圧ローラ4の両端には、図2,6に示すように、芯金4aを小径化した軸4cが伸び出ており、この軸4cはベアリング41を介して保持レバー42に回動自在に取り付けられている。この保持レバー42は、図示を省略するが、定着ベルト2の方向へ移動可能な状態でフレーム11に対して取り付けられ、保持レバー42がバネ(図示省略)で定着ベルト2側へ付勢されている。こうして、加圧ローラ4は、フレーム11に対して回転自在に支持されると共に、定着ベルト2側に押し付けられる。定着ベルト2の内周側には、詳しくは後述する支持体5が設けられており、加圧ローラ4の押圧力(即ち、加圧力)は該支持体5によって受け止められる。その結果、定着ベルト2の一部は、加圧ローラ4と支持体5とに挟持された状態となり、定着ベルト2と加圧ローラ4の間に定着ニップNが形成される。
本実施形態では、加圧ローラ4全体の加圧力を294N(30kgf)に設定した。このとき、定着ニップNの幅は約8mmとなった。
また、加圧ローラ4は、図示は省略するが、軸に取り付けられたギアやプーリを介して駆動装置によって回転駆動される。すなわち、加圧ローラ4は、定着ベルト2との間に定着ニップNを形成した状態で回転駆動される。
尚、定着ニップNに加圧ローラ4の全長(軸方向の最大長さ)よりも短い幅の被記録材を連続して通過させた場合、加圧ローラ4における、被記録材の幅よりも外側の領域では、被記録材に熱を吸収されないため、温度が上昇する。そこで、シリコーンゴム4bとして、熱伝導性の良い材料を用いることによって、この被記録材の外側の領域の温度上昇を効果的に防止できる。
(支持体)
図10は、支持体5の斜視図である。
前記支持体5は、図1,10に示すように、断面形状がT字形状をし、定着ベルト2の軸方向に延びる棒状の部材である。支持体5は、平板状の平板部51aと平板部51aの幅方向中央に立設されたリブ部51bとで構成された断面T字形状の支持体本体51と、該支持体本体51の平板部51aの、リブ部51bとは反対側に設けられた耐熱性樹脂製の断熱部材52と、定着ニップNを形成しやすくするために、断熱部材52よりも弾性のある耐熱性ゴムからなるニップ形成部材53とを有している。支持体本体51は、定着ベルト2及び経路形成部材3の外側まで伸びており、経路形成部材3の外側でフレーム11に固定されている(図示省略)。
支持体本体51の材料としては、鉄、ステンレス、銅、アルミニウム、またこれらの金属の合金等を用いることができる。
断熱部材52の材料としては、PPS、液晶ポリマー、PEEK等を用いることができ、好ましくは熱伝導率が低く、支持体5と定着ベルト2の間を断熱するものがよい。
ニップ形成部材53の材料としては、シリコーンゴムや、フッ素ゴム等を用いることができる。
本実施形態においては、断熱部材52としてPPSを用い、ニップ形成部材53として硬度50度のシリコーンゴム、厚さ1.5mmのものを使用している。
また、ニップ形成部材53のうち加圧ローラ4と対向する部分にはニップ形成面53aが形成されている。このニップ形成面53aには、低摩擦係数の摺動シート54が設けられている。こうして、ニップ形成部材53は、摺動シート54を介して定着ベルト2の内周面に当接している。尚、この摺動シート54は必ずしも必要ではなく、ニップ形成部材53のニップ形成面53aにフッ素樹脂等の低摩擦材をコーティングしたものを用いてもよい。この摺動シート54としては、薄くて摩擦係数が小さく、耐摩耗性の高い材料を用いることが好ましい。
このように構成された支持体5は、定着ベルト2内において定着ベルト2に対して外周側から当接し且つ加圧された加圧ローラ4の加圧力を受け止めて、定着ベルト2と加圧ローラ4との間に定着ニップNを形成させる。このとき、定着ベルト2が可撓性を有すると共に、加圧ローラ4及び支持体5のニップ形成部材53はそれぞれ弾性を有しているため、これらの材質及び加圧力に応じて、適宜変形し、定着ベルト2と加圧ローラ4との間に所定の幅(被記録材通過方向への寸法であって、以下ニップ幅ともいう)を有する定着ニップNが形成される。
さらに、本実施形態では、定着ベルト2の定着ニップNの入口側と出口側とに変形防止リブ8a,8bを軸方向に複数設けている。この変形防止リブ8a,8bは、通常時においては定着ベルト2に接触していない。しかし、定着ベルト2が何らかの原因で内方に変形した場合には、定着ベルト2の内周面に当接して、定着ベルト2が所定の回転経路を逸脱することがないよう、定着ベルト2の全長に亘ってその回転経路を一定の形状に規制するものである。
尚、支持体本体51は加圧ローラ4からの強い加圧力を受け止めるため、支持体5の軸方向中央部は、加圧ローラ4から逃げる方向にたわみを生じる。たわみが大きいと、定着ニップNの幅が軸方向の端部と中央で大きく異なり、定着の不均一や被記録材19の走行不安定を引き起こすため、支持体5は、軸の曲げ方向へのたわみに対する剛性が高いことが好ましい。そのため、支持体本体51の材料としてはヤング率の大きなステンレスや鉄材を用いるのが好ましい。また、軸の曲げ方向へのたわみに対する剛性を高めるべく、許容できる範囲で加圧ローラ4の加圧力が作用する方向への寸法を大きくした形状であることが好ましい。さらには、支持体本体51を予め、たわみ曲線に応じて加圧ローラ4側に凸状に湾曲させた形状として、加圧ローラ4からの加圧力を受けることによって、平坦に変形するように構成してもよい。例えば、支持体本体51を鉄製とし、加圧ローラ4の加圧力を294N(30kgf)とした場合、中央部で約0.7mmのたわみを発生するので、そのたわみ曲線に沿って中央部を凸の形状とすればよい。こうすることで、軸方向の全域に亘って均一なニップ幅と加圧力を確保することができる。尚、必ずしも支持体本体51を中央部凸形状に形成する必要はなく、断熱部材52やニップ形成部材53等を中央部凸形状としてもよい。すなわち、支持体5として中央部凸形状となっていれば、同様の効果を得られることは言うまでもない。
また、断熱部材52とニップ形成部材53とは、本実施形態では、別々に構成しているが、図11に示すように、ニップ形成部材53を耐熱性樹脂で形成することによって、両者を一体に構成してもよい。断熱部材52及びニップ形成部材53を耐熱性樹脂で一体に構成すれば、部品点数も少なくでき、コスト削減が容易となることは言うまでもない。さらには、支持体本体51を耐熱性樹脂等の断熱部材で形成することで、支持体5を全体として一体に構成してもよい。
さらに、摺動シート54は、図12に示すように、それ自体の周方向における両端を、支持体本体51及び断熱部材52で確実に固定してもよい。これにより、被記録材19が詰まって、その処理のために定着ベルト2を通常と逆回転させても、摺動シート54が正常な位置からずれることがない。尚、定着ベルト2を逆回転しても摺動シート54が正常な位置からずれなければ、必ずしも、かかる構成でなくてもよい。
さらにまた、図13に示すように、断熱部材52の一部を切り欠き、そこにサーミスタ12を配設してもよい。サーミスタ12は、定着ニップNの入口側近傍に配置されて、定着前の定着ベルト2の内周面の温度を検出している。このサーミスタ12の検出結果に基づいて、定着ベルト2の温度が一定に保たれるように、ハロゲンランプ6がON/OFF制御される。尚、サーミスタ12は、定着ベルト2の軸方向に複数配置することが好ましい。こうすることで、より細かな温度制御を行うことができる。
サーミスタ12のリード線13は、遮蔽板7と支持体5との間の空間を通って、定着装置1の外側へ導かれ、図示しない温度制御装置と接続される。サーミスタ12及びそのリード線13は、遮蔽板7によりハロゲンランプ6の光が直接照射されることがなく、また、遮蔽板7とは空間を設けて配置されているため、過剰に加熱されて破損することがない。さらに、遮蔽板7と支持体5と間に断熱部材55を配設することによって、サーミスタ12及びリード線13の加熱による破損をより確実に防止することができる。断熱部材55としては、例えばヒュームドシリカ(5〜30nm)の形成体であるPorextherm WDS(黒崎播磨株式会社製。200℃における熱伝導率0.021W/m・K)などが有効である。
また、定着ベルト2の温度を測定するためのサーミスタ12を、断熱部材52に配設しているが、これに限られるものではない。サーミスタ12は、定着ベルト2の温度を測定できる限りにおいては、任意の場所に配置することができる。
(ハロゲンランプ)
前記ハロゲンランプ6は、定着装置1の加熱源であって、円筒状のガラス管内にタングステン製のフィラメント63が配置されると共に、そのガラス管の両端それぞれにコネクタ64が取り付けられて構成されている。ハロゲンランプ6は、点灯されると、フィラメント63から定着ベルト2へ向かって熱線が照射される。こうして、ハロゲンランプ6は、輻射によって定着ベルト2を非接触で加熱する。このハロゲンランプ6が加熱源を構成する。
本実施形態に係るハロゲンランプ6は、100V用で約900Wの出力が可能となっている。このハロゲンランプ6の出力は、用いるトナーや被記録材19、定着の速度、要求されるウォームアップ時間などによって適宜選択される。このハロゲンランプ6は、定着ベルト2内において、その軸心が定着ベルト2の軸方向と平行となるように配設され、その端部が定着ベルト2及び経路形成部材3の外側まで伸びており、経路形成部材3の外側で、各コネクタ64がフレーム11に固定されている(図示省略)。
ハロゲンランプ6は、図1に示すように、定着ベルト2の内部空間において、加圧ローラ4と定着ニップNの中心を結んだZ線よりも定着ニップNの入口側の広い空間、即ち、図7に示すように、断面形状が大径部と小径部とを有する略鶏卵形状をした定着ベルト2の内部空間において、大径部に相当する位置に配置されている。この大径部は、定着ベルト2が大きく膨らんで、内周面が拡大された部分である。また、定着ベルト2の内周面のうち、遮蔽板7よりもハロゲンランプ6側の空間に位置する部分の方が、遮蔽板7よりも支持体5側の空間に位置する部分よりも広くなっている。こうすることによって、定着ベルト2の断面形状を円形に形成する場合と比較して、ハロゲンランプ6からの熱線を定着ベルト2の内周面における広い範囲で吸収するようにしていると共に、ハロゲンランプ6と定着ベルト2との径方向の距離が、局所的に短くなってしまうことを防止するようにしている。こうして、経路形成部材3がハロゲンランプ6によって過剰に加熱されることを防止している。
本実施形態では、定着ベルト2とハロゲンランプ6との距離を6.5mm以上確保している。尚、定着ベルト2とハロゲンランプ6との最低距離は、使用する熱源の種類や、定着ベルトの材質や厚さなどによって適宜選択する必要がある。
また、ハロゲンランプ6は、前述したように、コネクタ64によって挟まれる前記ガラス管の部分が、本体部に相当する部分であり、この本体部は、図6に示すように、フィラメント63のコイルが略均一に巻かれた、両端部以外の大部分を占める発熱部61と、両端部に設けられた、ほとんど発熱しない非発熱部62とを有する。発熱部61においては、フィラメント63のコイルが、定着装置1が想定している被記録材19の最大幅(本実施形態の場合、A3サイズの約300mm)内でほぼ均一に巻かれており、最大幅内ではできるだけ均一な発光分布が得られるようにしている。尚、定着ベルト2の厚みが極めて薄いため、一般のヒートローラ定着器で用いられるように両端部での発光量を多くして両端部の温度低下を防ぐ必要が無く、発光部の端部もほぼ均一な光量分布としている。一方、非発熱部62においては、発熱部61においてコイル状に巻かれたフィラメント63の端部を解いた状態で前記のコネクタ64まで延ばしている。こうすることで、非発熱部62は、ハロゲンランプ6を点灯しても、発熱しない又は、発熱部61に比べて発熱量が著しく抑えられている。尚、非発熱部62の構成としては、前記に限定されず、例えばフィラメント63の電気抵抗値を、部分的に低下させる構成を採用する等して、非発熱部62においては発熱しない又は発熱量を著しく抑えるようにしてもよい。
本実施形態では、ハロゲンランプ6の発熱部61を320mmとし、両端の経路形成部材3,3の間(詳しくは、経路形成部31,31,の先端間)の最短距離(330mm)より短くなるように設定した。こうすることで、ハロゲンランプ6の端部は経路形成部材3の外側まで伸びているが、経路形成部材3と重なる部分ではハロゲンランプ6が発熱しないようにして、経路形成部材3を積極的に加熱することを防止している。詳細に述べると、図6に示すように、ハロゲンランプ6の本体部における非発熱部62が、経路形成部材3における経路形成部31及びフランジ部33に対し軸方向に重なる位置に配置されると共に、コネクタ64が経路形成部材3の挿通孔を貫通して、経路形成部材3よりも軸方向の外方位置に位置するようにされている。これによって、ハロゲンランプ6のコネクタ64は、その耐熱性が比較的低いものの、コネクタ64を定着ベルト2の外側に配置することによって、コネクタ64の熱的条件を満足させることが可能になる。
尚、経路形成部材3がフランジ部を有さない構造であって、フレーム11に対してネジによって取り付けられる時には、図8,9に示すように、ハロゲンランプ6の本体部における非発熱部62が、経路形成部材3における経路形成部31及びフレーム11に対し軸方向に重なる位置に配置されると共に、コネクタ64が経路形成部材3の挿通孔を貫通して、フレーム11よりも軸方向の外方位置に位置するようにすればよい。
また、本実施形態では加熱源としてハロゲンランプ6を用いたが、加熱源としてはハロゲンランプに限定されるものではなく、立ち上がりが早くかつ赤外線を効率よく発光するものであれば任意の加熱源を採用することができる。たとえば、石英ガラス管内に発熱源として炭素系発熱材料を用いたカーボンランプヒーターは赤外線を効率よく発光し、立ち上がりも比較的早いので好適である。
また、ハロゲンランプ6が局所的に加熱することがないように、ハロゲンランプ6の周方向全体に熱線を放射する、指向性を有さない特性を持ったハロゲンランプ6を使用しているが、図14に示すように、ハロゲンランプ6の一部に反射膜65を設け遮蔽板7に対して熱線を照射しないような指向性を持ったハロゲンランプ6であれば、定着ベルト2を照射する範囲を狭めることがないので使用してもよい。
(遮蔽板)
遮蔽板7は、ハロゲンランプ6に対して支持体5を遮蔽して、ハロゲンランプ6からの熱線が支持体5に直接吸収されることがないようにするものであって、定着ベルト2のみを効率よく加熱するためのものである。この遮蔽板7が遮蔽体を構成する。
この遮蔽板7は、図1に示すように、定着ベルト2の内部においてハロゲンランプ6と支持体5との間で、定着ベルト2の軸方向に延びて設けられている。こうすることで、定着ベルト2の内周面は、その周方向において、ハロゲンランプ6からの熱線が照射される部分(照射領域Lに位置する部分。以下、照射部分ともいう。)と、遮蔽板7の陰となってハロゲンランプ6からの熱線が照射されない部分(陰領域Kに位置する部分。以下、非照射部分ともいう)とに分割される。
遮蔽板7は、断面山型の板状の部材であって、定着ベルト2の軸方向に直交する断面形状がハロゲンランプ6側に凸状に形成されている。遮蔽板7の材料としては熱放射率が0.1以下のものがよく、銅、アルミニウム、ステンレス等の表面光沢のある金属材料が好ましい。このように、遮蔽板7は、ハロゲンランプ6からの熱線をできる限り吸収しないように、少なくともハロゲンランプ6側の表面が光を反射するように形成されている。
この遮蔽板7は、その一部に接続部(図示省略)を設けて、該接続部を介して断熱部材52に固定している。そして、遮蔽板7と支持体5との間には断熱空間が形成されている。こうして、遮蔽体7は、支持体5との間が断熱されており、遮蔽板7が熱線を吸収して加熱されたとしても、その熱が支持体5に伝導しないように構成されている。
さらに、遮蔽板7の端部は、経路形成部材3の挿通孔を通じて外側まで延びている。こうすることによって、ハロゲンランプ6から受けた熱を定着ベルト2外へ放熱することができ、遮蔽板7が変形したり、変色したりすることを防止することができる。尚、遮蔽板7の材料として銅やアルミニウムなど熱伝導性の良い金属を用いることによって、遮蔽板7の熱をより効率良く放熱することができる。遮蔽板7の熱をさらに効率良く放熱させるために、例えば、遮蔽板7のうち、経路形成部材3より外側の部分の面積を広くする構成にしたり、遮蔽板7の端部をフレーム11に接触させたりしてもよい。
また、遮蔽板7をハロゲンランプ6側に凸状に形成することによって、遮蔽板7を平坦な部材で形成する構成と比較して、定着ベルト2の内周面のうち照射部分の面積を拡大することができる。すなわち、同じ構成の支持体5を遮蔽する場合、遮蔽板7を平板で構成すると、定着ベルト2内における遮蔽板7よりも支持体5側の空間の横断面は、略半円状又は略弓形状になる。それに対し、遮蔽板7をハロゲンランプ6側に凸状に形成すると、定着ベルト2内における遮蔽板7よりも支持体5側の空間の横断面は、中心角が180°未満の略扇形状となり、定着ベルト2の内周面のうち支持体5側の空間に位置する部分を可及的に低減することができる。その結果、定着ベルト2の照射部分の面積を可及的に拡大することができる。
別の見方をすると、仮に、定着ベルト2の内周面のうち、遮蔽板7に覆われた部分の面積を同じとすると、遮蔽板7を平板で構成する場合、支持体5を収容する空間が略半円状又は略弓形状となるのに対し、遮蔽板7をハロゲンランプ6側に凸状に形成する場合、支持体5を収容する空間が略扇形状となり、前述の略半円状又は略弓形状よりも拡大することができる。
さらに、仮に遮蔽板7を支持体5側に凸状に形成すると、遮蔽板7はハロゲンランプ6から見て凹面となり、ハロゲンランプ6から放射されて遮蔽板7で反射する熱線が、定着ベルト2の内周面の所定の箇所に集中する可能性がある。それに対し、遮蔽板7をハロゲンランプ6側に凸状に形成することによって、ハロゲンランプ6から照射されて遮蔽板7で反射する熱線は、様々な方向に散乱し、定着ベルト2の内周面の所定の箇所に集中することを防止することができる。
本実施形態では、図1のように、遮蔽板7を板金曲げにて加工して、遮蔽板7の支持体5側に、ハロゲンランプ6に向けて凸状の空間を形成し、該凸状の空間内に支持体本体51のリブ部51bが位置するようにしている。
尚、遮蔽板7は、その一部に接続部を設け、該接続部を介して断熱部材52に固定しているが、より完全に断熱するには他の断熱部材を介して固定してもよいことはいうまでも無い。
さらに、本実施形態では、遮蔽体として遮蔽板7を採用しているが、これに限られるものではない。例えば、図15に示すように、ハロゲンランプ6側に凸状であれば、耐熱性樹脂製の部材の表面にメッキ加工をしたブロック状の遮蔽体71であったり、アルミなどの金属を引抜き加工で形成したものであってもよい。
また、本実施形態においては遮蔽板7と支持体5との間に一定の空間を設け、遮蔽板7と支持体5とを断熱したが、この空間に積極的に断熱部材55を配置して遮蔽板7の熱を伝えないようにすることも有効である(図13参照)。例えば、定着装置1が、図1と上下逆になるように配設された場合には、遮蔽板7と支持体5との間に断熱部材を配置して空気の対流を抑えることが特に効果的である。断熱部材としては、例えばヒュームドシリカ(5〜30nm)の形成体であるPorextherm WDS(黒崎播磨株式会社製。200℃における熱伝導率0.021W/m・K)などが有効である。さらには、断熱部材は図13に示すような配置に限られず、断熱部材が遮蔽板7と支持体5との間に充填される構成であってもよい。
さらに、ハロゲンランプ6と遮蔽板7の位置関係は図示したものに限定されるものではなく、ハロゲンランプ6と遮蔽板7の位置関
係や形状により陰領域Kの位置や範囲が変わり、それに伴い、前記経路形成部材3の片寄り規制部35の位置や寸法も変わることは言うまでもない。
また、図16,17に示すように、経路形成部材3の経路形成部31の先端面と対向する位置に第2の遮蔽体として端部遮蔽板72を設けてもよい。この端部遮蔽板72は、ハロゲンランプ6の発熱部61から経路形成部材3へ斜め方向に発せられた熱線を遮蔽する。これによって、ハロゲンランプ6からの熱線を経路形成部材3に直接吸収されないことをより確実にすることができる。さらに、端部遮蔽板72は、ハロゲンランプ6からの熱線を反射することによって、定着ベルト2のみを効率よく加熱することができる。端部遮蔽板72の材料としては、熱放射率が0.1以下のものがよく、銅やアルミニウム、ステンレスなどの表面光沢のある金属材料が好ましい。また、端部遮蔽板72を板状に形成することによって容易に形成することができる。
端部遮蔽板72の、経路形成部31の先端面と対向する端部とは反対側の端部72aは、経路形成部材3の外側まで延びている。こうすることによって、ハロゲンランプ6からの輻射熱を定着ベルト2外へ放熱することができ、その結果、端部遮蔽板72が変形したり、変色したりすることを防止することができる。端部遮蔽板72を銅やアルミニウム等の熱伝導性の高い金属を使うと、ハロゲンランプ6より受けた熱を効率良く放熱することができる。尚、端部遮蔽板72のうち、経路形成部材3よりも外側の部分の面積を広くしたり、フレーム11に接触させたりすることによって、端部遮蔽板72の熱をさらに効率良く放熱することができる。
(サーモスタット)
サーモスタット9は、定着ベルト2の温度が過剰に上昇したことを検知して、ハロゲンランプ6の通電を停止するように作動する安全装置である。つまり、サーモスタット9は、定着ベルト2の温度を測定し、その測定温度が所定の温度になったときに作動して、ハロゲンランプ6の通電を停止させる。これによって、定着ベルト2の過剰な温度上昇を防止する。尚、サーモスタット9は、図1,6にのみ示し、他の図では省略している。
サーモスタット9は、図1に示すように、ハロゲンランプ6との距離が最短となる周方向(回転方向)位置において、定着ベルト2の外周面に対して径方向に対向して配設されている。こうすることで、定着ベルト2の温まりやすい箇所の温度を測定することができる。尚、対流によって定着ベルト2の上側の部分は熱が溜まりやすいため、比較的上側の部分であれば、サーモスタット9を設置する位置を変えてもよい。
また、サーモスタット9は、図6に示すように、定着ベルト2の軸方向の略中央位置で、定着ベルト2の外周面に対し径方向外方に離れて配設されている。すなわち、定着ベルト2の軸方向中央部(略中央位置)は、被記録材19に対するトナーの定着を行う定着領域であり、この定着領域内では、幅の異なる被記録材が、その幅方向の中央が定着ベルト2の軸方向中央位置を通るように通過する。サーモスタット9は、最小の幅の被記録材19が通過する最小紙幅領域内に配設されている。
また、サーモスタット9の作動温度は、定着温度と略同じ温度に設定している。具体的には、サーモスタット9の作動温度は、約170℃に設定している。ここで、サーモスタット9の作動温度を定着温度と略同じ温度に設定した理由は、サーモスタット9と定着ベルト2とが非接触であるため、サーモスタット9が検知する温度が、実際の定着ベルト2の温度よりもやや低い温度となるためであり、作動温度を比較的低く設定しても通常時は誤作動しないためである。
尚、本実施形態においては、サーモスタット9を定着ベルト2の最小紙幅領域に配設したが、この位置に限られず、例えば定着領域の外側(つまり、非定着領域)、さらには非発熱部62に対応する位置に配設してもよい。こうすることで、定着ベルト2に残留しているオフセットトナーがサーモスタット9に付着することを確実に防止することができる。
また、本実施形態においては、サーモスタット9を1つ設置しているが、安全性を向上させるために、サーモスタット9を複数設置してもよい。
また、本実施形態の安全装置として、サーモスタットを用いているが、温度ヒューズ等を用いても良い。
(動作説明)
このように構成された定着装置1の動作を詳しく説明する。
前記加圧ローラ4が、支持体5に対応する位置において、定着ベルト2の外周面に所定の加圧力で押し付けられると、定着ベルト2が加圧ローラ4と支持体5とで挟み込まれた状態となり、定着ベルト2と加圧ローラ4との当接部に定着ニップNが形成される。この状態で、駆動手段(図示省略)により加圧ローラ4が回転駆動されると、定着ベルト2は、加圧ローラ4との摩擦力により従動回転する。尚、定着ベルト2の内周面は摺動シート54を介して支持体5と接触しているため、定着ベルト2と支持体5との間の摩擦力は小さく、定着ベルト2は摺動シート54に対して滑りながら移動していく。このとき、定着ベルト2は、その両端部に経路形成部材3の経路形成部31が嵌め込まれているため、経路形成面32に沿った形状をほぼ保ったまま回転する。このとき、定着ベルト2は、その両端部の経路形成部31のフランジ部33に設けられた片寄り規制部35によって、軸方向への移動が所定の範囲内に規制されている。
定着ベルト2が従動回転し始めると、ほぼ同時にハロゲンランプ6が点灯されて、定着ベルト2の内面を照射する。このとき、定着ベルト2は回転しており、定着ベルト2の内周面のうち、遮蔽板7に覆われていない照射領域Lに位置する部分が、ハロゲンランプ6からの熱線を順次吸収していく。このときハロゲンランプ6から出て遮蔽板7に当たった熱線もほとんどが反射されて、照射領域Lに位置する定着ベルト2に吸収される。こうして、定着ベルト2は急速に昇温する。詳しくは、定着ベルト2の内周面に照射された熱線の大部分は、定着ベルト2のうち、カーボンブラックを含有して黒色に構成された基層2aによって吸収される。熱線を吸収した基層2aは、輻射熱により温度が上昇するものの、ポリイミド樹脂は耐熱温度が高く、さらには表層2cと比べて相対的に厚いため、基層2aの温度がその耐熱温度に瞬時に達してしまうようなことはない。一部の熱線は基層2aを透過して中間層2bに吸収される。熱線を吸収した中間層2bは輻射熱により温度が上昇するものの、熱伝導率が高いため、発生した輻射熱は、中間層2b内を早期に伝導していき、さらには基層2a及び表層2cに早期に伝導していく。そのため、中間層2bの温度が上昇しすぎることが抑制される。中間層2bの主成分であるシリコーンゴムは耐熱温度が基層2aに比べて低いものの、こうして、温度上昇が抑制されるため、中間層2bの温度がその耐熱温度に瞬時に達してしまうようなことはない。そして、定着ベルト2の温度は、サーミスタで検知され、温度制御装置によりハロゲンランプ6が適宜ON、OFFされることで、定着に必要な一定の温度に制御される。
定着ベルト2がやがて所定の温度に達すると、トナー像を担持した被記録材19が定着ニップNに搬送されてくる。被記録材19上のトナー像は、定着ニップNにおいて、高温となった定着ベルト2によって加熱溶融されると共に、加圧ローラ4によって加圧されて、被記録材19上に順次定着される。
トナー像が定着された被記録材19は、定着ニップNから排出される。定着ニップNの出口側では、定着ベルト2の曲率半径が小さくなっているため、被記録材19はそれ自身の復元力によって定着ベルト2から順次分離していく。被記録材19の後端が定着ニップNを通過することで、定着装置1の定着処理が終了する。
ここで、温度制御装置の故障等によって、定着ベルト2が所定の温度を超えて加熱され続けたときには、サーモスタット9が作動し、ハロゲンランプ6の通電を停止する。
そして、このように温度制御装置の故障等が生じた場合であっても、定着ベルト2は、サーモスタット9が作動する前に、耐熱温度を超えて温度上昇することがない。つまり、定着ベルト2の基層2aをカーボンブラックを含有したポリイミド樹脂で構成することによって、ハロゲンランプ6からの熱線の大部分を基層2aで吸収するようにしている。これにより、定着ベルト2の温度が耐熱温度まで容易に達しないようにしている。
すなわち、定着ベルト2を、或る程度の強度を有する基層2aと、柔軟性を有する中間層2bと、離型性を有する表層2cとを含む多層構造に構成した場合、表層2cは比較的薄いため熱容量が小さくなる。また、中間層2bを、柔軟性を持たせるべく、シリコーンゴムを主成分として構成すると、中間層2bの耐熱温度が低くなってしまう。そのため、中間層2bや表層2cに多くの熱線を吸収させてしまうと、中間層2bや表層2cの温度はそれぞれの耐熱温度に容易に達してしまう。それは即ち、定着ベルト2の温度が耐熱温度に達することを意味する。
それに対し、本実施形態の定着ベルト2は、基層2aをカーボンブラックを含有したポリイミド樹脂で構成している。こうすることで、基層2aにおける熱線の吸収率を向上させている。
ここで、ポリイミド樹脂からなるベルト部材の反射率と透過率とを測定した測定結果を表1に示す。ポリイミド樹脂で構成されたベルトとしてはユーピレックス(登録商標)を用い、カーボンブラックを含有させてないものと、カーボンブラックを20重量%含有させたものの反射率と透過率を測定した。測定したベルトの厚みは90μmである。ベルトの反射率は、SHIMAZU社製の分光光度計UV3150を用いて測定し、透過率は、日立製作所製の分光光度計U3410を用いて測定した。反射率を測定するために、反射角は5°で測定した。これら反射率及び透過率の測定における、1300nm近傍の波長に対する透過率、反射率の値を表1に示している。
Figure 2010217218
表1からわかるように、カーボンブラックを含有していないベルトでは、反射率が5%で、透過率が62%であり、吸収率は33%となる。一方、カーボンブラックを20重量%含有するベルトでは、反射率が5.5%で、透過率が0%であり、吸収率は94.5%となる。
このように、定着ベルト2の基層2aを、ポリイミド樹脂で構成すると共に、カーボンブラックを含有させることによって、ハロゲンランプ6からの熱線の大部分を該基層2aで吸収することができる。その結果、基層2aを透過して中間層2bや表層2cに到達する熱線を低減することができる。基層2aとしては、ユーピレックス(登録商標)の他、カプトン(登録商標)等の他のポリイミド樹脂製のベルトを用いることができる。
さらに、本実施形態の定着ベルト2では、中間層2bを前述の如く、高熱伝導率のシリコーンゴム又は難燃性のシリコーンゴムで構成することによって、中間層2bに熱線が入射し、中間層2bで輻射熱を吸収したとしても、中間層2bの温度が耐熱温度に容易に達しないようにしている。つまり、中間層2bを高熱伝導率のシリコーンゴムで構成することによって、中間層2bで発生した熱が、中間層2b内を迅速に伝導するすると共に、基層2aや表層2cに伝導するため、中間層2bの過度な温度上昇が抑制される。また、中間層2bを難燃性のシリコーンゴムで構成することによって、中間層2bの耐熱温度を向上させることができる。
ここで、基層2aと中間層2bの仕様を変更したときの、サーモスタットの作動確認試験の結果を表2に示す。基層2aとしては、ポリイミド樹脂で構成され且つカーボンブラックを含有していないもの(表中のPI(Cなし))と、ポリイミド樹脂で構成され且つカーボンブラックを20重量%含有するもの(表中のPI(C20%))を用意した。また、中間層2bとしては、熱伝導率が0.30W/(m・K)のシリコーンゴムで構成されたもの(表中のSi)と、熱伝導率が0.63W/(m・K)のシリコーンゴムで構成されたもの(表中の高熱伝導Si)と、熱伝導率が0.30W/(m・K)のシリコーンゴムで構成され且つ白金触媒を添加したもの(表中の難燃剤添加Si)とを用意した。そして、これらの基層2aと中間層2bの組み合わせを変えた種々の定着ベルトを用意した。こうして構成された各定着ベルトを回転停止状態でハロゲンランプ(1050W)により連続加熱したときにサーモスタットが作動するか、あるいは、定着ベルトの温度が耐熱温度を超えてしまうかを試験した。サーモスタットは、定着ベルトの外周面に対して非接触な状態で対向して設置した。表2において「○」は、定着ベルトの温度が耐熱温度を超える前にサーモスタットが作動したことを示し、「×」は、サーモスタットが作動する前に定着ベルトの温度が耐熱温度を超えてしまったことを示す。
Figure 2010217218
表2からわかるように、カーボンブラック含有のポリイミド樹脂で構成された基層2aと高熱伝導率のシリコーンゴムで構成された中間層2bの組み合わせ、カーボンブラックを含有していないポリイミド樹脂で構成された基層2aと高熱伝導率のシリコーンゴムで構成された中間層2bの組み合わせ、カーボンブラック含有のポリイミド樹脂で構成された基層2aと難燃性のシリコーンゴムで構成された中間層2bの組み合わせ、カーボンブラックを含有しないポリイミド樹脂で構成された基層2aと難燃性のシリコーンゴムで構成された中間層2bの組み合わせ、及び、カーボンブラック含有のポリイミド樹脂で構成された基層2aと通常のシリコーンゴムで構成された中間層2bの組み合わせにおいては、定着ベルトの温度が耐熱温度を超える前にサーモスタットが作動した。一方、カーボンブラックを含有しないポリイミド樹脂で構成された基層2aと通常のシリコーンゴムで構成された中間層2bの組み合わせでは、サーモスタットが作動する前に定着ベルトの温度が耐熱温度を超えて、定着ベルトが発火してしまった。
このように、基層2aをカーボンブラック含有のポリイミド樹脂で構成するか、又は、中間層2bを高熱伝導率のシリコーンゴム若しくは難燃性のシリコーンゴムで構成することによって、定着ベルト2を耐熱温度まで温度上昇し難くなるように構成することができ、サーモスタット9が作動する前に、定着ベルト2の温度が耐熱温度を超えてしまうことを防止することができる。
また、本実施形態では、定着ベルト2を、カーボンブラック含有のポリイミド樹脂で構成された基層2aと高熱伝導率のシリコーンゴムで構成された中間層2bとを組み合わせているが、この組み合わせに限らず、基層2aをカーボンブラック含有のポリイミド樹脂で構成するか、又は、中間層2bを高熱伝導率のシリコーンゴム若しくは難燃性のシリコーンゴムで構成すればよい。
尚、基層2aをカーボンブラックを含有しないポリイミド樹脂で構成する場合には、図18に示すように、中間層2bと表層2cとの間のプライマー層(接着層)2dにカーボンブラックを含有させるようにすることが好ましい。つまり、基層2aにカーボンブラックを含有させない場合には、或る程度の量の熱線が基層2aを透過して中間層2bに入射する。ここで、中間層2bにカーボンブラックが含有されていない、即ち、中間層2bが黒色に構成されていない場合には、熱線が中間層2bを透過して表層2cに入射してしまう。また、表層2cは比較的薄く、且つ実際には黒色でないものが多いため、定着ベルト2の外周側に熱線が透過してしまい、その分は熱ロスとなってしまう。さらに、定着ベルト2の外周側に熱線が透過するということは、例えば樹脂のケースなども直接加熱されかねないので、その樹脂のケース等が溶けてしまわないようにするために熱保護部材を設けるといったことでコストアップにもなってしまう。さらに、サーモスタット9に対して通常運転時にもそのような加熱がされることになり、サーモスタット9がハロゲンランプ6の通電を停止すべく作動する所定の温度までの温度範囲を狭くしてしまう。そこで、プライマー層2dにカーボンブラックを含有させて、プライマー層2dを黒色に構成することによって、中間層2bを透過した熱線をプライマー層2dで吸収することができる。その結果、表層2cに到達する熱線を低減することができる。また、こうすることで、表層2cが耐熱温度を超えて温度上昇してしまうことも防止することができる。尚、プライマー層2dに含有するカーボンブラックの量を調節したり、他の物質を含有させてプライマー層2dを黒色に構成することによって、プライマー層2dが内周側からの光を透過させないように構成することが好ましい。
尚、本実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
以上説明したように、本発明は、定着ベルト及びそれを備えた定着装置について有用である。
定着装置の横断面図である。 定着装置の分解斜視図である。 定着ベルトの拡大断面図である。 本発明の実施形態1に係る経路形成部材の正面図である。 経路形成部材の斜視図である。 図1のVI−VI線における、定着装置の縦断面図である。 定着ベルトの回転経路の形状を模式的に示す横断面図である。 変形例に係る経路形成部材を示す、図6に相当する定着装置の縦断面図である。 別の変形例に係る経路形成部材を示す、図6に相当する定着装置の縦断面図である。 支持体の斜視図である。 ニップ形成部材の変形例を示す、定着装置の横断面図である。 摺動シートの変形例を示す、定着装置の横断面図である。 支持体の変形例を示す、定着装置の横断面図である。 ハロゲンランプの変形例を示す、定着装置の横断面図である。 遮蔽体の変形例を示す、定着装置の横断面図である。 端部遮蔽板を示す、図6に相当する定着装置の縦断面図である、 端部遮蔽板を示す、概略斜視図である。 変形例に係る定着ベルトの拡大断面図である。
1 定着装置
19 被記録材
2 定着ベルト
2a 基層
2b 中間層
2c 表層
2d プライマー層(接着層)
3 経路形成部材
31 経路形成部
32 経路形成面
32a 大径部
32b 小径部
33 フランジ部
4 加圧ローラ
5 支持体
51 支持体本体
52,55 断熱部材
53 ニップ形成部材
6 ハロゲンランプ(加熱源)
7 遮蔽板(遮蔽体)
9 サーモスタット(安全装置)
N 定着ニップ

Claims (8)

  1. 被記録材上のトナー像を定着する定着装置に用いられる筒状の定着ベルトであって、
    内周側から基層と中間層と表層との少なくとも三層構造に形成され、
    前記基層は、ポリイミド樹脂を含有して構成され、
    前記中間層は、シリコーン樹脂を含有して構成され、
    前記中間層と前記表層との間には、接着層が設けられており、
    前記接着層は、カーボンブラックを含有していることを特徴とする定着ベルト。
  2. 被記録材上のトナー像を定着する定着装置に用いられる筒状の定着ベルトであって、
    内周側から基層と中間層と表層との少なくとも三層構造に形成され、
    前記基層は、ポリイミド樹脂を含有して構成され、
    前記中間層は、シリコーン樹脂を含有して構成され、
    前記中間層と前記表層との間には、接着層が設けられており、
    前記接着層は、黒色に構成されていることを特徴とする定着ベルト。
  3. 被記録材上のトナー像を定着する定着装置に用いられる筒状の定着ベルトであって、
    内周側から基層と中間層と表層との少なくとも三層構造に形成され、
    前記基層は、ポリイミド樹脂を含有して構成され、
    前記中間層は、シリコーン樹脂を含有して構成され、
    前記中間層と前記表層との間には接着層が設けられており、
    前記接着層は、内周側からの光を透過させないように構成されていることを特徴とする定着ベルト。
  4. 被記録材上のトナー像を定着する定着装置に用いられる筒状の定着ベルトであって、
    内周側から基層と中間層と表層との少なくとも三層構造に形成され、
    前記中間層は、シリーコン樹脂を含有して構成され、
    前記基層は、ポリイミド樹脂及びカーボンブラックを含有して構成されていることを特徴とする定着ベルト。
  5. 被記録材上のトナー像を定着する定着装置に用いられる筒状の定着ベルトであって、
    内周側から基層と中間層と表層との少なくとも三層構造に形成され、
    前記中間層は、シリーコン樹脂を含有して構成され、
    前記基層は、ポリイミド樹脂を含有していると共に黒色に構成されていることを特徴とする定着ベルト。
  6. 被記録材上のトナー像を定着する定着装置に用いられる筒状の定着ベルトであって、
    内周側から基層と中間層と表層との少なくとも三層構造に形成され、
    前記中間層は、シリーコン樹脂を含有して構成され、
    前記基層は、ポリイミド樹脂を含有していると共に、内周側からの光を透過させないように構成されていることを特徴とする定着ベルト。
  7. 前記中間層は、熱伝導率が0.6W/(m・K)よりも大きいことを特徴とする請求項1〜6の何れか1つに記載の定着ベルト。
  8. 被記録材上のトナー像を定着する定着装置であって、
    所定の軸方向に延びる筒状に形成された定着ベルトと、
    前記定着ベルト内に配設されると共に、該定着ベルトを内周面から熱輻射によって加熱する加熱源と、
    前記定着ベルトの外周面に対して当接した状態で加圧して定着ニップを形成すると共に、その状態で回転する加圧体と、
    前記定着ベルト内に配設されて、前記加圧体からの加圧力を前記定着ベルトの内周側から受け止めて該定着ベルトを支持する支持体と、
    前記定着ベルトに対向して配設されると共に、該定着ベルトの温度を検知して、その検知した温度が所定の温度以上のときには前記加熱源を停止させる安全装置とを備え、
    前記定着ベルトは、請求項1〜7の何れか1つに記載の定着ベルトであることを特徴とする定着装置。
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