JP2006337718A - 画像加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 記録材上のトナー像にヒビ割れが生じるのを防止して高品位な画像を形成することができる画像加熱装置を提供する。
【解決手段】 表面に樹脂層を備えた記録材に形成されたトナー像を加熱ニップにて加熱する定着ベルト５７と、このベルト５７を加熱ニップにて懸架する定着ローラ５１と、この定着ローラ５１に向けてベルト５７を加圧する加圧ローラ５２と、加熱ニップを通過した記録材がベルト５７から分離される前に、ベルト５７に密着したまま移動する記録材を冷却する冷却ファン５６と、を有する画像加熱装置において、ベルト５７の冷却領域において記録材背面をベルト５７に向けて押圧する曲率保持ローラ６０を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ、これらの複合機等の電子写真方式を用いた画像形成装置に関し、より詳しくは、無端状ベルトである定着ベルトを備える定着装置等の画像加熱装置に関する。

従来から電子写真方式を用いた画像形成装置が広く知られており、白黒のみならず、フルカラーの画像形成を行うものも多く商品化されている。また電子写真方式の画像形成装置が様々な分野で使用されるのに伴い、画質に対する要求も益々高度なものとなっている。ここで、画質、特にフルカラー画像の光沢度を決定付ける要因の一つとしては、出力画像の平滑性を挙げることができる。このようなニーズに対して、例えば特許文献１、特許文献２には、紙上に熱可塑性樹脂からなる透明樹脂層を設けた記録媒体（記録材）に、熱可塑性樹脂からなるカラートナーを転写し、加熱、溶融することによりカラー画像を形成する画像形成方法が開示されている。

それらの画像形成方法においては、望ましい定着方法として、ベルト定着器が提案されている。例えば、特許文献３、特許文献４などに記載のベルト定着器は、未定着トナー像を担持した記録媒体を耐熱フィルムからなる定着ベルトで押圧加熱し、その記録媒体を定着ベルトに密着させたままの状態で冷却してトナー像を固化させ、トナー像が定着した記録媒体を定着ベルトから剥離するという構成を取っている。その結果、トナー像は記録媒体の透明樹脂層に埋め込んだ状態で定着させた記録媒体表面上の透明樹脂層とトナー像は、共にベルト表面形状にならって凝固し、記録媒体全面が平滑な面となるので、光沢性に優れたカラー画像を得る事ができる。

また、このような画像形成装置に用いられる樹脂層をもった記録媒体については、特許文献５などのように様々な記録媒体が提案されている。特許文献５では、ガラス転移温度が８５℃以下である熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂層を厚さが１０μｍ程度塗工して受容層を形成した電子写真用転写シートが提案されている。

しかしながら、このような受容層をもつ記録媒体の定着処理において、トナー層にヒビ割れが発生することがあった。詳細には、画像表面をより平滑にするため、定着器で加える熱量を増やすほど、定着後の記録媒体の画像部、すなわち、画像部分にヒビ割れが発生するという問題が発生した。このトナー画像部分のヒビ割れは画像品位を著しく低下させることにつながってしまう。

本発明者の研究により、この現象は、トナーの収縮率、記録媒体の基層部分の紙材の収縮率、記録媒体表面の樹脂層の収縮率が各々異なるため、冷却工程においてトナーの収縮を記録媒体の紙材や樹脂層が阻み、トナー画像全体が収縮できないことに起因していることを掴んだ。

一方、特許文献６、７、８では、上記文献での加熱ローラと分離ローラを１つのローラに兼用させて２つの機能を担わせる構成が提案されている。この場合、加熱部から冷却部までの曲率は、記録媒体の画像面側が凸となるように定着ベルトに曲率を持たせている。
特開昭６４−３５４５２号公報 特開平５−２１６３２２号公報 特開平５２１６５８０号公報 特開平４−３６２６７９号公報 特開２００３−０８４４７７号公報 特開平８−２０２１８１号公報 特開平９−９０７８７号公報 特開平１１−２４２４００号公報

しかしながら、特許文献６、７、８の構成では、１つのローラが加熱ローラと分離ローラの機能を担っている関係上、この１つのローラによるニップに熱が蓄えられており、記録媒体（画像）が十分に冷却されないまま分離されることになるので、記録媒体の平滑性が乏しく所望の光沢画像を得ることができない。

そこで本発明の目的は、記録材上のトナー像にヒビ割れが生じるのを防止して高品位な画像を形成することができる画像加熱装置を提供することである。

上記目的を達成するために本発明にあっては、以下のように構成する。すなわち、
表面に樹脂層を備えた記録材に形成されたトナー像を加熱ニップにて加熱するベルトと、このベルトを加熱ニップにて懸架する加熱ローラと、この加熱ローラに向けてベルトを加圧する加圧ローラと、加熱ニップを通過した記録材がベルトから分離される前に、ベルトに密着したまま移動する記録材を冷却する冷却手段と、を有する画像加熱装置において、
ベルトの冷却領域において記録材背面をベルトに向けて押圧する押圧手段を有することを特徴とする画像加熱装置である。

以上のような本発明では、加熱ローラでの加熱後から、記録材はトナー部分側を出っ張らせた凸状に曲げられ、記録材上のトナー部分は引き伸ばされている。そして、出力時には記録材が平らに戻され、トナー部分は圧縮される。したがって、トナーの収縮がトナー部分の圧縮によりすみやかに行われるために、トナーの収縮は阻まれることがなく、ヒビ割れが発生しない。

また、定着後冷却されたトナーは、引張強度は弱いが圧縮に対してはある程度の強度をもつ。具体的には、記録材をトナーが伸びる方向に折り曲げると、トナーが割れてしまうが、トナーが縮む方向に折り曲げてもトナーは割れない。そこで、予めトナーが引き伸ばされるように記録材を保持して冷却し、冷却後の出力時に記録材を平らにすることで、トナーの収縮を阻害しないようにしているものである。

本発明によると、記録材上のトナー像にヒビ割れが生じるのを防止して高品位な画像を形成することができる。

（第１実施形態）
本実施形態では、画像形成装置として、キヤノン株式会社製、ＣＬＣ５１００を用いている。

図１は第１実施形態に係る画像形成装置を示す図である。画像形成装置の動作を図１に基づいて簡単に説明すると、電子写真感光ドラム３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを具備し、各感光ドラム３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ上に各色のトナー像が形成される。各感光ドラム３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄに隣接して転写ベルト１３０が設置され、感光ドラム３ａ，３ｂ，３ｃ
，３ｄ上に形成された各色のトナー像が、転写ベルト１３０上に担持し搬送される記録媒体Ｐ上に転写される。さらに各色のトナー像が転写された記録材としての記録媒体Ｐは、画像加熱装置たる定着装置９で加熱及び加圧によりトナー像を定着した後、記録画像として装置外に排出される。

現像器１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄには、現像剤としてそれぞれシアン、マゼンタ、イエロー、ブラックのトナーが、図示しない供給装置により所定量充填されている。現像器１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄは、それぞれ感光ドラム３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ上の潜像を現像して、シアントナー像、マゼンタトナー像、イエロートナー像、ブラックトナー像として可視化する。

記録媒体Ｐはカセット１０に収容され、そこから複数の搬送ローラ及びレジストローラ１２を経て転写ベルト１３０上に供給され、転写ベルト１３０による搬送で感光ドラム３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄと対向した転写部に順次送られ転写帯電器によりトナー像が転写される。ここで、感光ドラム３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄと、その周辺の現像器１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ、転写帯電器などが記録媒体Ｐ上にトナー像を形成する画像形成部を形成する。

次いでトナー像を転写された記録媒体Ｐは、転写ベルト１３０から分離され、分離した記録材Ｐは、搬送部７０により定着装置９へ搬送される。

４色のトナー像を転写された記録媒体Ｐは、定着によりトナー像の混色及び記録材Ｐへの固定が行われ、フルカラーのコピー画像が形成され、排紙トレイ８０に排出される。

なお、本発明は、この実施形態での画像形成装置、記録媒体に限定される訳ではなく、トナーと受容層の熱特性の違いがある場合に有効であることは言うまでもない。また、以下の実施形態の部材や、数値は、あくまで一例であって、これに限定されないことは言うまでもない。

定着装置９について詳しく述べる。図２は第１実施形態に係るベルト定着装置９を示す図である。

定着装置９は、加熱ローラである定着ローラ５１、加圧ローラ５２、記録媒体を定着ベルト５７から分離する位置にて定着ベルト５７を懸架する分離ローラである回転ローラ５３、テンションローラ５４、押圧手段である曲率保持ローラ６０、冷却手段である冷却ファン５６、ベルトである定着ベルト５７を有している。さらに、定着ローラ５１内、加圧ローラ５２内にそれぞれ配設されたローラ加熱ヒータ５８，５９があり、図示しないサーミスタによって温度管理されている。

一次定着部として、定着ローラ５１は同心円状に３層構造を採用しており、コア部分、弾性層、離型層を有している。このコア部分は直径４４ｍｍ、厚さ５ｍｍのアルミニウム製中空パイプにより構成され、弾性層はＪＩＳ−Ａ硬度５０度、厚さ３ｍｍのシリコンゴムにより構成され、離型層は厚さ５０μｍのＰＦＡにより構成される。なお、コア部分の中空パイプ内部には、熱源としてのハロゲンランプ（ローラ加熱ヒータ５８）が配設されている。加圧ローラ５２も同様の構成を採用している。この定着ローラ５１及び加圧ローラ５２が記録媒体を加熱・加圧するローラ対を形成している。

また、定着ベルト５７は、無端状ベルトであり、表面（記録媒体Ｐや加圧ローラ５２に当接する面）に鏡面状の離型層、裏面（定着ローラ５１に当接する面）に基材を備える二層構造を採用している。この離型層は厚さ１０μｍのＰＦＡにより構成され、基材は厚さ１００μｍのステンレスシートを無端状に繋いだベルトにより構成される。定着ベルト５
７は、定着ローラ５１、回転ローラ５３及びテンションローラ５４に巻き掛けられている。そして、定着ローラ５１が回転駆動することにより、定着ベルト５７が図中矢印の方向に回転される。

さらに、定着ローラ５１から回転ローラ５３へ向かう部分（記録媒体を搬送する部分）の冷却領域Ｌには、定着ベルト５７の内側（定着ローラ５１配置側）に冷却手段としての冷却ファン５６が設けられている。その冷却ファン５６によって記録媒体Ｐの紙面に直交するエアフローが生じている。

そして、この冷却領域Ｌにおいて、定着ベルト５７は、定着ベルト５７の剛性によって、記録媒体Ｐのトナー付着側を凸状に曲げてトナーを引き伸ばすように、ほぼ一定の曲率で弧状に保持される。定着ベルト５７の弧状の保持は、押圧手段としての曲率保持ローラ６０により定着ベルト５７の外側（定着ローラ５１配置側とは反対側、すなわち加圧ローラ５２側）から所定の張力（押し付け力）が与えられることにより行われている。

上記冷却領域Ｌの定着ベルト５７の弧状の曲率は、所望の曲率で一定であることが好ましいが、厳密に一定である必要はなく、ステンレスの剛性によって緩やかな曲線を描くように外側から、φ２０の曲率保持ローラ６０で押し付けている。また、定着ベルト５７と曲率保持ローラ６０とは搬送ニップを形成し、この搬送ニップに記録媒体が搬送される。つまり、押圧手段としての曲率保持ローラ６０は、定着ベルト５７との間で搬送ニップを形成するローラである。

また、定着ローラ５１と加圧ローラ５２は、それぞれ内部に配設されるローラ加熱ヒータ５８，５９に電力が供給され、定着ローラ５１と加圧ローラ５２の表面温度が上昇する。

そして、トナー像を有する記録媒体Ｐは定着ベルト５７と加圧ローラ５２との圧接部分を通過する。この際、定着ローラ５１と加圧ローラ５２とからの熱により、透明樹脂層Ｐ２の温度が上昇して軟らかくなり、さらに定着ローラ５１と加圧ローラ５２との圧力が加わることによりトナーがその高温の透明樹脂層Ｐ２中に埋没される。同時に、記録媒体Ｐは定着ベルト５７表面にトナー付着側を密着させる。

その後、記録媒体Ｐは定着ベルト５７に密着した状態で定着ベルト５７の回転と共に、冷却領域Ｌを搬送される。冷却領域Ｌにおいて、記録媒体Ｐは冷却ファン５６及び、図示しないそれを囲むエアダクト内を流れるエアフローの作用により強制的に効率よく冷却される。

このように定着ベルト５７の表面に密着された記録媒体Ｐは、冷却領域Ｌで十分に冷却され、回転ローラ５３により定着ベルト５７の曲率が変化する領域で定着ベルト５７表面から自らの剛性（こし）により剥離される。

次に受容層をもつ記録媒体について説明する。本実施形態に用いる記録媒体は、紙材にて形成された基層と、この基層上に接着剤及び顔料を主成分とする顔料塗工層と、この顔料塗工層上に設けられた熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂層とを有する。

樹脂層は、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂を主成分として含有するが、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂を混合した混合樹脂層であってもよい。また、熱可塑性樹脂を主成分とする熱可塑性樹脂層と熱硬化性樹脂を主成分とする熱硬化性樹脂層とを含む複数の層で構成されていてもよい。但し、複数の層で構成される場合、最上層は熱硬化性樹脂を主成分として含有する熱硬化性樹脂層である。また、これら混合樹脂層、熱可塑性樹脂層、熱硬化
性樹脂層を組み合わせた層構成でもよいが、最上層は混合樹脂層や熱硬化性樹脂層等の熱硬化性樹脂を含む層である。

熱可塑性樹脂としては、ポリエステル樹脂、スチレン−アクリル酸エステル、スチレン−メタクリル酸エステル等を用いることができるが、特にポリエステル樹脂を用いることが好ましい。

本実施形態では、記録媒体Ｐとしては、王子製紙株式会社製、ＰＯＤスーパーグロスコート紙を用いた。

上記した画像形成装置でＰＯＤスーパーグロスコート紙に画像形成を行い出力されたものを本定着装置９で定着した。画像形成装置は定着ローラ５１にゴムローラを用いているため、トナー像の段差を潰すことができず、約１０μｍのトナー段差ができてしまい、光沢といった観点からは好ましくない。

このように、画像形成装置でＰＯＤスーパーグロスコート紙に画像形成を行った記録媒体を用い、出力画像はトナー量が最大になるベタ部を部分的に乗せた画像を形成して、そこでの段差がなくなり、トナー層の段差がなくなるように定着条件を決定した。

さらに、図３をもちいて説明すると、（３−１）に示す定着前の状態のように、記録媒体上に転写されたトナーは数μｍ〜数十μｍの高さを持っている。本実施形態の定着装置９では、（３−２）に示すように、定着ニップにおいてトナー像と透明樹脂層Ｐ２が溶融することによりトナー像が樹脂層に埋め込まれるように構成している。そして、トナー像をベルトに密着させたまま、即ち、記録媒体をベルト密着させたままの状態で記録媒体を冷却してからベルトより分離する。冷却工程ではトナーのガラス転移点温度以下となるように記録媒体（トナー像）を冷却するように構成している。その結果、記録媒体の画像面が鏡面化されたベルトの表面形状にならって平滑になり、高光沢画像を得ることができる。

ところが、加熱が不十分であると、（３−３）のように記録媒体の表面にトナーが十分溶け込まずに段差が残ったり、また、記録媒体表面も十分に溶けずに凹凸が残ってしまい高光沢が得られなかったりといった問題が発生する。また、加熱しすぎると、（３−４）のように、トナー像がつぶれすぎて、幅が広くなり画像がぼやけてしまう（以下にじみという）。

このような問題が発生しないように、定着条件を検討し、良好な画像が得られるように調整した。

本実施形態では、定着スピード５０ｍｍ／ｓ、定着温度は、１３０〜１５０℃で良好な画像が得られた。

ところが、まず、曲率保持ローラ６０を付けずに定着を行ったところ、回転ローラ５３から剥離時、記録媒体は約３０℃で良好な画像であったのに対して、その後、室内温度、約２０℃に近づくにつれて、トナー部分にひび割れが発生してしまった。

そこで、上記で説明したように、曲率保持ローラ６０を取り付けて、冷却領域Ｌで記録媒体上のトナー部分が引き伸ばされる方向に曲率を与えた（トナー付着側を凸状）。

ここで、定着ローラ５１と回転ローラ５３との距離は３００ｍｍ、曲率保持ローラ６０の侵入量Ａは２０ｍｍとした。

このような条件で画像形成を行い、トナー段差、にじみといった画像不良がなく、トナーのヒビ割れも発生せずに高光沢な好ましいトナー画像を得ることができた。

これはつまり、定着ローラ５１での加熱後から、記録媒体はトナー部分側を出っ張らせた凸状に曲げられ、記録媒体上のトナー部分は引き伸ばされている。そして、出力時には記録媒体が平らに戻され、トナー部分は圧縮される。したがって、トナーの収縮が加熱後の冷却段階で生じても、上記構成であるとトナー部分の圧縮によりすみやかに行われるために、トナーの収縮は阻まれることがなく、ヒビ割れが発生しない。

また、定着後冷却されたトナーは、引張強度は弱いが圧縮に対してはある程度の強度をもつ。具体的には、記録媒体をトナーが伸びる方向に折り曲げると、トナーが割れてしまうが、トナーが縮む方向に折り曲げてもトナーは割れない。そこで、予めトナーが引き伸ばされるように記録媒体を保持して冷却し、冷却後の出力時に記録媒体を平らにすることで、トナーの収縮を阻害しないようにしているものである。

以上により、本実施形態では、トナー部分のヒビ割れのない、高光沢で高品位なトナー画像を得ることができる。

（第２実施形態）
図４は本実施形態に係るベルト定着装置９を示す図である。本実施形態では冷却手段としてペルチェ素子を用いた冷却装置６１を外側から定着ベルト５７に接触させた構成である。すなわち、冷却手段に定着ベルト５７を押圧する押圧手段を一体的に構成したものである。その他の構成は第１実施形態と同様であるので、同符号を付して説明を省略する。

図５は冷却装置６１を示す拡大図である。図５において、６２は押圧手段である接触部材、６３はペルチェ素子、６４はヒートシンク、５６は冷却ファンである。

接触部材６２は金属からなり、一定の曲率で定着ベルト５７を押し上げるようにしている。本実施形態では、定着ベルト５７が半径５００ｍｍの曲率となるように、接触部材６２の表面が加工されている。そしてこの接触部材６２は、ペルチェ素子６３内に埋め込まれたサーミスタとコントロール回路によって、３０℃になるように制御されている。ヒートシンク６４は放熱しており、冷却ファン５６で冷却されている。

なお、定着ローラ５１、加圧ローラ５２の条件は、第１実施形態と同様である。また、侵入量Ａは１５ｍｍとした。

このような構成であっても、画像形成を行うと、トナー段差、にじみといった画像不良がなく、トナーのヒビ割れも発生せずに高光沢な好ましいトナー画像を得ることができる。

（第３実施形態）
図６は本実施形態に係るベルト定着装置９を示す図である。本実施形態は押圧部材としての曲率保持部材７１を外側から定着ベルト５７に接触させた構成である。また、第２実施形態で用いた冷却装置６１を定着ベルト５７の内側に入れた構成である。その他の構成は第１実施形態と同様であるので、同符号を付して説明を省略する。

曲率保持部材６２が定着ベルト５７の外側から定着ベルト５７に当接している。曲率保持部材７１は、定着ベルト５７の図示奥と手前の記録媒体幅方向両側の記録媒体が接触しない部分を押し上げている。また、冷却装置６１は接触部材６２の表面の曲率が第２実施
形態と異なりほぼ平坦となっている。

また、定着ベルト５７は、８５μｍのポリイミドベルトに３０μｍＰＴＦＥをコートしたベルトを用いた。第１実施形態のステンレスシートと比べて、剛性が弱いため、第１実施形態の曲率保持ローラ６０を用いると、ローラ部のみが屈曲して緩やかな曲率ができないため、本実施形態のように、外側から曲率保持部材７１を当接させている。ポリイミドベルトは、加工が簡単で、継目を持たないため、継目の位置を考えなくて良いというメリットがある。

本実施形態でも、曲率保持部材７１の当接面は半径５００ｍｍの曲率となるように、定着ベルト５７に接触する表面が加工されている。

また、冷却装置６１は、ペルチェ素子６３内に埋め込まれたサーミスタとコントロール回路によって、３０℃になるように制御されている。

なお、定着ローラ５１、加圧ローラ５２の条件は、第１実施形態と同様である。また、侵入量Ａは１５ｍｍとした。

このような構成であっても、画像形成を行うと、トナー段差、にじみといった画像不良がなく、トナーのヒビ割れも発生せずに高光沢な好ましいトナー画像を得ることができる。

また、このような構成では、定着ベルト５７の画像が接触する部分をキズつけることなく定着ベルト５７の寿命が伸びるといったメリットがある。

第１実施形態に係る画像形成装置の断面概略図 第１実施形態に係る定着装置の断面概略図 記録媒体上のトナーの状態を示す概略図 第２実施形態に係る定着装置の断面概略図 第２実施形態に係る冷却装置の断面概略図 第３実施形態に係る定着装置の断面概略図

符号の説明

９ ベルト定着装置
５１ 定着ローラ
５２ 加圧ローラ
５３ 回転ローラ
５４ テンションローラ
５６ 冷却ファン
５７ 定着ベルト
５８，５９ ローラ加熱ヒータ
６０ 曲率保持ローラ
６１ 冷却装置
６２ 接触部材
６２ 曲率保持部材
６３ ペルチェ素子
６４ ヒートシンク
７１ 曲率保持部材

Claims (5)

1. 表面に樹脂層を備えた記録材に形成されたトナー像を加熱ニップにて加熱するベルトと、このベルトを加熱ニップにて懸架する加熱ローラと、この加熱ローラに向けてベルトを加圧する加圧ローラと、加熱ニップを通過した記録材がベルトから分離される前に、ベルトに密着したまま移動する記録材を冷却する冷却手段と、を有する画像加熱装置において、
   ベルトの冷却領域において記録材背面をベルトに向けて押圧する押圧手段を有することを特徴とする画像加熱装置。
2. 前記ベルトはトナーと記録材表面の樹脂層が溶融するように加熱し、前記冷却手段はトナーのガラス転移点温度以下となるように冷却することを特徴とする請求項１記載の画像加熱装置。
3. 前記押圧手段と前記冷却手段は一体的に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の画像加熱装置。
4. 前記押圧手段は前記ベルトとの間で搬送ニップを形成するローラを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の画像加熱装置。
5. 記録材をベルトから分離する位置にてベルトを懸架する分離ローラを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の画像加熱装置。

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