JP2009015268A - 無端状ベルト装置、ベルト定着装置、および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】定着ローラに発泡部材が用いられるベルト装置においては、経時的に発泡部材の破泡が進むことにより、硬度低下が生ずる。低速機器であればあまり問題視する必要もなかったが、高速機器では硬度低下は無視できなくなる。ローラ部材の耐久性が落ちるばかりでなく、それを避けるためにベルトテンションを弱めようとすると、ベルトがローラに乗り上げやすくなるという問題も生ずる。
【解決手段】ベルトを張架している定着ローラと加熱ローラのうち、定着ローラの軸位置を固定し、加熱ローラを引張りスプリングでベルトを張る方向にテンションをかける。定着ローラの発泡部材のアスカＣ硬度を４０Ｈｓに設定し、破泡が進んで硬度２５Ｈｓになるまでの間、定着ローラが常温時、ベルトテンションを４０Ｎ以上になるよう設定し、定着ローラが通紙時温度になっているとき、ベルトテンションを１１０Ｎ以下に設定する。
【選択図】図６

Description

本発明は、電子写真方式，静電記録方式等を利用したＦＡＸ，プリンタ，複写機等，画像形成装置に適用されるベルト定着装置に関する。

図７はベルト定着装置を用いた画像形成装置の一例を示す図である。
図８はベルトのローラ乗り上げを説明するための図である。
同図において符号１はベルト、３はベルト用ローラ、１１はベルトより止めガイド、１２は空転リング、Ａはベルトの寄り方向をそれぞれ示す。
図７において、画像形成装置１００は、露光部１２７、画像形成部兼一次転写部１２０、給紙部１３０、二次転写部１４０、定着部１５０、排紙部１６０を備えている。
本例は、タンデム方式の画像形成装置の例である。本例においては、複数色、例えばブラック（以下Ｂｋと表記する）、マゼンタ（以下Ｍと表記する）、イエロー（以下Ｙと表記する）、シアン（以下Ｃと表記する）の各画像をそれぞれ形成する複数の画像形成ユニット１２１Ｂｋ、１２１Ｍ、１２１Ｙ、１２１Ｃ（以下１２１Ｂｋ〜Ｃと略記する。他の符号についても同様）が垂直方向に配列され、この画像形成ユニット１２１Ｂｋ〜１２１Ｃ（一部符号省略、以下同様）は、それぞれドラム状の感光体からなる感光体１２２Ｂｋ〜１２２Ｃ、帯電装置（例えば接触帯電装置）１２３Ｂｋ〜Ｃ、現像装置１２４Ｂｋ〜Ｃ、クリーニング装置１２５Ｂｋ〜Ｃ（図示省略）などから構成される。

感光体１２２Ｂｋ〜Ｃは、無端状転写ベルト１２６と対向して水平方向に配列され、転写ベルト１２６と同じ周速で回転駆動される。この感光体１２２Ｂｋ〜Ｃは、それぞれ、帯電装置１２３Ｂｋ〜Ｃにより均一に帯電された後に、光書き込み装置１２７によりそれぞれ露光されて静電潜像が形成される。
光書き込み装置1２７は、それぞれＢｋ、Ｍ、Ｙ、Ｃ各色の画像信号により、半導体レーザ駆動回路で半導体レーザを駆動して、半導体レーザからのレーザビームを図示しないポリゴンミラーにより偏向走査し、このポリゴンミラーからの各レーザビームを図示しないｆθレンズやミラーを介して感光体１２２Ｂｋ〜Ｃに結像することにより、感光体１２２Ｂｋ〜Ｃを露光して静電潜像を形成する。 この感光体１２２Ｂｋ〜Ｃ上の静電潜像は、それぞれ現像装置１２４Ｂｋ〜Ｃにより現像されてＢｋ、Ｍ、Ｙ、Ｃ各色のトナー像となる。したがって、帯電装置１２３Ｂｋ〜Ｃ、光書き込み装置１２７及び現像装置１２４Ｂｋ〜Ｃは、感光体１２２Ｂｋ〜Ｃ上にＢｋ、Ｍ、Ｙ、Ｃ各色の画像（トナー像）を形成する画像形成手段を構成している。
感光体１２２Ｂｋ〜Ｃ上に形成されたトナー像は転写ベルト１２６の移動に伴って、感光体１２２Ｃ上のシアントナー像が転写ベルト上に一次転写され、その上にイエロートナー像が転写され、更にその上にマゼンタトナー像が転写され、最後にブラックトナー像が転写されて転写ベルト１２６上にフルカラー画像が形成される。

一方、普通紙、ＯＨＰシートなどの転写紙は、装置の下部に設置された、給紙カセットを用いて構成された給紙装置１３０から転写紙搬送路に沿ってレジストローラ１３１に給紙され、レジストローラ１３１は、転写ベルト１２６上のフルカラー画像が移動してくるタイミングに合わせて転写紙を、二次転写部１４０の転写ローラと、転写ベルトとの転写圧接部へ送出する。
転写ベルト１２６は水平方向及びその下側に配列されたローラ１３２、１３３及びローラ１３４に掛け渡され、駆動ローラ１３２が図示しない駆動部により回転駆動されて搬送直接転写ベルト１２６が感光体１２２Ｂｋ〜Ｃと同じ周速で回転する。レジストローラ１３１から送り出された転写紙は、転写ベルト１２６上のフルカラー画像が
転写ローラ１４１により形成される電界の作用で、転写紙側に転写され、搬送ベルト１４２に静電的に吸着されて確実に搬送される。
この転写紙は、定着装置１５０によりフルカラー画像が定着され、排紙ローラ１５８により本実施例の上部に設けられている排紙部１６０へ排出される。また、感光体５２２Ｂｋ〜Ｃは、トナー像転写後に図示しないクリーニング装置によりクリーニングされて次の画像形成動作に備える。

定着部１５０は、無端状ベルト装置になっており、定着ベルト１５１、加熱ローラ１５２、定着ローラ１５３、加圧ローラ１５４を有している。加熱ローラ１５２は内部に熱源を有している。その熱がベルト１５１を介して定着ローラ１５３を加熱し、二次転写部１４０において未定着トナー画像を転写された記録媒体を加熱加圧して、トナー画像を記録媒体に定着させる。
従来の発泡ローラを用いたベルト定着装置では、比較的低速な装置の場合には線速が遅いためにニップ時間を確保するための圧縮量は２ｍｍ程度だった（例えば特許文献１ 参照。）。そのために発泡ローラの経時的な硬度低下は軽微であり、ローラが破壊に至ることは無かった。しかしながら高速な装置の場合、線速が速いためにニップ時間を確保するためには発泡ローラを３ｍｍ程度圧縮させてニップ幅を広く取る必要があるが、その場合、発泡させた箇所が破れる破泡という現象により、硬度が著しく低下し耐久性が落ちるといった問題が発生していた。
圧縮量はベルトテンションを弱める事で低減させる事が可能であるが、図８に示すように、ベルトが張架しているローラに乗り上げやすくなるといった副作用があるため、この方法は見送られてきた。

特開２００５−０９１９８４号公報

本発明は上述事情に鑑みてなされたものであって、適正なベルトテンションに設定する事によりベルトの乗り上げが発生することなく、経時の発泡定着ローラの硬度低下も抑える、高耐久なベルト定着装置および画像形成装置を提供するものである。

請求項１に記載の発明では、内部に熱源を有する加熱ローラと、定着ローラと、該定着ローラと前記加熱ローラとに張架される無端状ベルトと、を有する無端状ベルト装置において、前記定着ローラは少なくとも外周が発泡部材で形成され、該発泡部材のアスカＣ硬度が２５〜４６Ｈｓであって、前記定着ローラが室温状態のとき、前記無端状ベルトは４０Ｎ以上のテンションで張架されることを特徴とする。
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の無端状ベルト装置において、前記定着ローラが通紙時温度状態にあるとき、１１０Ｎ以下のテンションに保持されることを特徴とする。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の無端状ベルト装置を搭載したベルト定着装置を特徴とする。
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載のベルト定着装置を搭載した画像形成装置を特徴とする。

本発明によれば、ベルトの乗り上げが発生しない高耐久なベルト装置を得ることができる。

図１は本発明の無端状ベルトを用いたベルト定着装置の断面図である。
同図において符号１は無端状ベルト、２は加熱ローラ、３は定着ローラ、４は加圧ローラ、５はテンションプレート、６は上側板、７はピン、８は引張りスプリング、９は下側板、１０は段付きねじをそれぞれ示す。
無端状ベルト１は内部にヒータ（図示せず）を備えたφ３８の加熱ローラ２と芯金が金属製でローラ部がφ５２肉厚１４ｍｍの発泡弾性体からなる定着ローラ３により張架されている。発泡定着ローラの対向する位置には内部にヒータ（図示せず）を備えたφ５０の加圧ローラ４が圧接されているが、加圧ローラは芯金の上に薄いソリッドゴムと離型層を被せた構成で軸上硬度が８３Ｈｓ（アスカＣ）のローラであるため加圧ローラ４はほとんど圧縮せず、柔らかい発泡定着ローラ３が圧縮されニップを形成する構成となっている。発泡定着ローラ３の圧縮量は初期、所定のニップ幅が得られる約３ｍｍとなるような荷重で加圧されている。破泡により硬度低下した場合にはその分、圧縮量が増える事でニップ幅の低下を抑える構成となっている。また図示していないが、発泡定着ローラが極力硬度低下しないように加圧ローラは通紙時のみ加圧し、非通紙時は減圧する構成となっている。

加熱ローラ２は断熱ブッシュとベアリングを介してテンションプレート５で保持され、テンションプレートは上側板６に上方の段付きネジ１０の１点によって水平方向に揺動自在に取り付けられている。テンションプレート下部にはピン７がカシメられ、引張りスプリング８の左側のフックが掛かっている。右側フックは下側板９に掛けられることで図中右方向に引っ張られベルト１に所定のテンションをかけている。図示していないが、加熱ローラの両端部が同様に構成されていて、２つの引張りスプリング８によってベルト１にテンションが掛けられている。
２つの引張りスプリング８によってリング状のベルトの張り側と緩み側それぞれにテンションがかかり、またテンションプレート５のレバー比によって加熱ローラにかかる荷重は引っ張りスプリング荷重の約１．７倍となるため、以降、ベルトテンション＝加熱ローラにかかる総荷重の１／２と定義する。

図２は定着ローラの膨張によって定着ローラと加熱ローラの軸間距離が変わることを示す模式図である。同図（ａ）は加熱前の状態、同図（ｂ）は加熱された状態、をそれぞれ示す。
発泡定着ローラ３は加熱ローラ２によって加熱されると熱膨張して外径がＤからＤ１に膨らむ。ポリイミド製の無端状ベルトはほとんど伸びることがないので加熱ローラが発泡定着ローラ側へ引き寄せられて発泡定着ローラとの軸間がＸからＸ１に縮む。これにより引張りスプリングの取り付け時長さはＬからＬ１に伸びベルトテンションは上がる。逆に冷めるとローラ径が収縮し、引張りスプリングは元の長さに戻りテンションも戻る。したがって定着ローラが冷えるとベルトテンションは弱くなりローラが温まると強くなるという関係にある。
次に発泡定着ローラ３の硬度低下とベルトテンションの関係について図３と図４を用いて説明する。

図３は破泡により硬度が落ちたときの定着ローラと加熱ローラの軸間距離を説明するための図である。
図４は定着ローラへの通紙時間に対するゴム硬度の変化を示すグラフである。
発泡定着ローラは使用していくうちに表面近くが破泡して徐々に硬度が落ちる。初期４０Ｈｓ（アスカＣ）の発泡定着ローラも通紙時の圧縮回転により最終的には２５Ｈｓ(アスカＣ)程度に硬度が落ちる。更に使用すると発泡部が破壊するので２５Ｈｓを最低硬度としている。
実使用時においては、製造上の公差を考慮して設計値を定めるので、ここでは公差を±３Ｈｓとして設計上の目標値を４３Ｈｓ、最大値を４６Ｈｓに設定する。こうすれば、実際の製品の最低値が４０Ｈｓになってしまった場合でも、硬度２５Ｈｓに落ち込むまでの時間が十分とれる。
柔らかくなったローラ表面の、ベルトが巻きついている部分は加熱ローラに引っ張られることで見かけ上の半径が小さくなり（ｒ→ｒ’）、加熱ローラとの軸間が離れ（Ｘ２）、引張りスプリングの取り付け時長さが縮みベルトテンションは下がる。つまり、ローラが固いときベルトテンションは強く、ローラが柔らかい時ベルトテンションは弱くなるという関係にある。
次にテンションとニップ幅と発泡定着ローラの耐久性の関係について図５を用いて説明する。

図５は一定圧縮量のときのベルトテンションとニップ幅の関係を示すグラフである。
同図は圧縮量を３ｍｍに固定し、ベルトテンションを変化させてニップ幅を測定した結果である。ベルトテンションが弱いほどニップ幅は広がり、強いと狭くなるという関係にある。ベルトテンションを弱く設定できればそれだけ発泡定着ローラの圧縮量を小さく抑えて使用することが可能となるため硬度低下し難くなりローラの耐久性があがる。
次にベルト寄り、およびローラへのベルトの乗り上げ、とベルトテンションとの関係について説明する。

図６はベルトテンションに対する乗り上げ限界寄り速度の関係を示すグラフである。
ベルト寄りは定着ローラ３に対する加熱ローラ２や加圧ローラ４の平行度ずれやベルトテンションの左右偏差、ローラ外径偏差等、様々な力のバランスが崩れて発生する。寄り力が小さい時はベルト１の寄り止めガイドで乗り上げを抑制する事が可能であり、加熱ローラ２両端部のベルトの寄り止めガイドと当接する箇所に回動自在に支持された部材を具備することにより、更に乗り上げに対する余裕度を増すことも可能であるが、限界を超えた寄り力だと張架しているローラに乗りあがりベルト１が破損する。
寄り力は測定が困難なため、代用特性として寄り速度を用いているが、乗り上げが発生する時の寄り速度とベルトテンションとは相関関係にあり、テンションが強いと速い寄り速度でも乗り上げは発生しないが、弱いと遅い寄り速度でも乗り上げが発生する。

同図はテンションを変化させて乗り上げが発生しない寄り速度（乗り上げ限界速度：黒四角マーク）と乗り上げが発生した寄り速度（乗り上げ速度：黒丸マーク）を測定した結果である。マークの脇に示した数値がそれぞれの速度である。ベルトテンション約２０Ｎでは乗り上げ限界速度が１８２μｍ／ｓｅｃ、乗り上げ速度が２１０μｍ／ｓｅｃであったが、約４０Ｎではそれぞれ２０５μｍ／ｓｅｃと２４８μｍ／ｓｅｃ、約５５Ｎでは乗り上げ限界速度が２４７μｍ／ｓｅｃ(乗り上げは発生せず)とテンションを上げるにつれ限界速度が向上している。
このように、発泡定着ローラ３の硬度低下対策にはテンションを弱めることが有効であるが、一方でローラへの乗り上げに対してはテンションを強める事が有効という、相反する条件の中でテンションを決定しなければならない。

次に適正なベルトテンションを決定する。
まずベルト乗り上げ限界速度から適正なベルトテンションを求める。
ベルト定着装置５台の寄り速度の実力を測定したところ、前寄り９０μｍ／ｓｅｃ〜後寄り１１３μｍ／ｓｅｃの範囲に収まっていた。安全率を２とすると１８０〜２２６μｍ／ｓｅｃとなり、約２００μｍ／ｓｅｃの寄り速度でローラへの乗り上げが発生しなければ良いという事になる。これを満足するベルトテンションは同図から約４０Ｎということになる。
ローラ硬度は前記のように２５Ｈｓ程度まで低下し、それにより引張りスプリング８の取り付け時長さも収縮してベルトテンションが低下してしまうため、硬度の下限値としている２５Ｈｓにおけるテンションが約４０Ｎ必要という事になる。
またこれも前記したが発泡定着ローラ３が加熱により熱膨張すると引張りスプリング８の取り付け時長さが伸張してテンションが上昇する。画像形成装置を立ち上げる時は室温まで冷えた状態で行われこともあるため、熱膨張していない室温でベルトテンションが約４０Ｎ必要という事になる。

次に狙いのニップ幅を得るための適正なベルトテンションを求める。
図５から、発泡定着ローラ３の圧縮量３ｍｍ以下で狙いのニップ幅を得るためにはベルトテンションは約１１０Ｎ以下でなければならないことが判る。１１０Ｎを超えると狙いのニップ幅を出すためには圧縮量を増大させなければならず、更に硬度低下が著しくなり耐久性が落ちることになる。最もテンションが張る条件はローラ硬度が高く、且つローラが熱膨張する時であるから、ローラ硬度が４０Ｈｓで通紙時温度（この定着装置の場合、普通紙で１５５℃）に加熱された時、ベルトテンションが約１１０Ｎ以下である必要があるということになる。
以上の結果から、ベルトテンションの適正値は最も緩む時で約４０Ｎ以上、最も張る時で約１１０Ｎ以下となる。
本発明は、このようにして得られた条件を適用した無端状ベルト装置と、その無端状ベルト装置を搭載したベルト定着装置、および、そのベルト定着装置を搭載した画像形成装置を提案するものである。

本発明の無端状ベルトを用いたベルト定着装置の断面図である。 定着ローラの膨張によって定着ローラと加熱ローラの軸間距離が変わることを示す模式図である。 破泡により硬度が落ちたときの定着ローラと加熱ローラの軸間距離を説明するための図である。 定着ローラへの通紙時間に対するゴム硬度の変化を示すグラフである。 一定圧縮量のときのベルトテンションとニップ幅の関係を示すグラフである。 ベルトテンションに対する乗り上げ限界寄り速度の関係を示すグラフである。 ベルト定着装置を用いた画像形成装置の一例を示す図である。 ベルトのローラ乗り上げを説明するための図である。

符号の説明

１ 無端状ベルト
２ 加熱ローラ
３ 定着ローラ
４ 加圧ローラ
８ 引張りスプリング

Claims (4)

1. 内部に熱源を有する加熱ローラと、定着ローラと、該定着ローラと前記加熱ローラとに張架される無端状ベルトと、を有する無端状ベルト装置において、前記定着ローラは少なくとも外周が発泡部材で形成され、該発泡部材のアスカＣ硬度が２５〜４６Ｈｓであって、前記定着ローラが室温状態のとき、前記無端状ベルトは４０Ｎ以上のテンションで張架されることを特徴とする無端状ベルト装置。
2. 請求項１に記載の無端状ベルト装置において、前記定着ローラが通紙時温度状態にあるとき、１１０Ｎ以下のテンションに保持されることを特徴とする無端状ベルト装置。
3. 請求項１または２に記載の無端状ベルト装置を搭載したことを特徴とするベルト定着装置。
4. 請求項３に記載のベルト定着装置を搭載したことを特徴とする画像形成装置。

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