JP2009271441A - 画像加熱装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】加熱ニップへ向かう面状の加熱加圧領域におけるローラ部材の軸方向の圧力分布が平均化されて、加熱処理された画像の品質のばらつきが抑制される画像加熱装置を提供する。
【解決手段】柔軟なゴム材料で形成された加圧パッド4の加圧ローラ摺擦領域Sと加圧ベルト摺擦面A1とが低摩擦シート5で覆われる。加圧パッド4の加圧ローラ摺擦領域Sは長手方向にフラットに形成される一方、低摩擦シート5部材の加圧ローラ摺擦領域Sは長手方向両端部の厚みが長手方向中央部よりも大きい。加圧ローラ摺擦領域Sの長手方向両端部にエンボスを形成して中央部には形成しないことにより、厚みの差を設定している。
【選択図】図6

Description

本発明は、トナーを用いて記録材に形成された画像を加熱加圧する画像加熱装置、詳しくは、無端ベルト状の加圧部材とローラ部材との隙間に進入させて配置される支持部の構造に関する。
トナーを用いて記録材に画像を形成する画像形成装置には、トナー像を転写された記録材を加熱加圧してトナー像を定着させる定着装置が搭載される。また、一部の画像形成装置には、トナー像を定着された記録材を更に加熱加圧して画像面に所定の光沢度を付与する加熱装置が搭載される。このような画像加熱装置は、画像形成装置から分離されて単体で設置される場合もある。
特許文献1には、ローラ部材と支持部とを用いて無端ベルト状の加圧部材を円筒状の加熱部材に圧接させ、ローラ部材による定着ニップに向かう面状の加熱加圧領域を、支持部によって形成した定着装置が示される。支持部は、低摩擦係数のシート部材で外側が覆われたパッド部材を、定着ニップに向かうローラ部材と加圧部材との隙間に進入させている。
特許文献2には、支持部材で支持された無端ベルト状の加熱部材と、別の支持部材で支持された無端ベルト状の加圧部材とを当接させて、記録材の定着部を構成した定着装置が示される。
特開2004−37552号公報 特開2007−034276号公報
ローラ部材の両端を両持ち式に加熱部材に向かって付勢して加熱部材と加圧部材との間に加熱ニップを形成している場合、ローラ部材が撓んで軸方向の中央部で加熱ニップの圧力が低くなる。このため、軸方向の中央部を両端部よりも太くするクラウン形状をローラ部材の側面に形成して中央の撓みを相殺させることにより、ローラ部材の軸方向に沿った加熱ニップの圧力分布を一様にしている。
しかし、ローラ部材の側面にクラウン形状が形成されている場合、加熱ニップの圧力分布は一様になるものの、加熱ニップへ向かう面状の加熱加圧領域における圧力分布に不具合が生じる。定着ニップへ向かう定着部材と加圧部材との当接領域の圧力がローラ部材の軸方向に沿った両端部で不足してしまい、両端部と中央部とで加熱された画像の品質が違ってくる。
本発明は、加熱ニップへ向かう面状の加熱加圧領域におけるローラ部材の軸方向の圧力分布が平均化されて、加熱処理された画像の品質のばらつきが抑制される画像加熱装置を提供することを目的としている。
本発明の画像加熱装置は、加熱された表面が回転する加熱部材と、前記加熱部材に当接して回転する無端ベルト状の加圧部材と、クラウン形状の側面を前記加圧部材の内側面に圧接させて、前記加熱部材と前記加圧部材との間に加熱ニップを形成するローラ部材と、前記加熱ニップへ向かう前記加圧部材の内側面と前記ローラ部材との隙間に進入させて配置され、前記加圧部材の内側面を支持して前記加圧部材を前記加熱部材に当接させる支持部とを備えたものである。そして、前記支持部における前記隙間に進入して前記ローラ部材に接する領域は、前記ローラ部材の軸方向に沿った中央部よりも両端部が前記ローラ部材側に高くなっている。
本発明の画像加熱装置では、支持部の加圧部材とローラ部材との隙間に進入した部分が、ローラ部材に支持された状態で加圧部材に圧接して、加熱ニップへ向かう面状の加熱加圧領域を形成している。
そして、ローラ部材の側面にクラウン形状が形成されているため、クラウン形状に相当して支持部の両端部が中央部よりも後退する。しかし、加圧部材とローラ部材との隙間に進入してローラ部材に接する部分の厚みが中央部よりも両端部で大きいため、支持部材の加圧部材に接する面の後退量が相殺されて、加熱部材に対する加圧部材の部分的な圧力低下が抑制される。
従って、加熱ニップへ向かう面状の加熱加圧領域におけるローラ部材の軸方向の圧力分布が平均化されて、加熱処理された画像の品質のばらつきが抑制される。
以下、本発明のいくつかの実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明は、ローラ部材の軸方向に沿った支持部の両端部が中央部よりもローラ部材側に厚くなっている限りにおいて、各実施形態の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実施できる。
実施形態の定着装置は、図1のモノクロ画像形成装置のみならず、各色トナー像を重ね合わせるフルカラー画像形成装置にも搭載でき、直接転写方式のみならず中間転写方式でも実施できる。トナー像が一度定着された記録材を加熱加圧して所定の表面光沢度に仕上げる加熱仕上げ装置等でも実施できる。
なお、特許文献1、2に示される画像形成、定着等に関する一般的な事項については、図示を省略して重複する説明を省略する。説明中、特許請求の範囲で用いた構成名に括弧を付して示した参照記号は、発明の理解を助けるための例示であって、実施形態中の該当する部材等に構成を限定する趣旨のものではない。
<画像形成装置>
図1は画像形成装置の構成の説明図である。
図1に示すように、画像形成装置100は、電子写真方式を採用した画像形成装置(いわゆるプリンタ)である。
画像形成装置100は、大きく分けて、感光ドラム101にトナー像を形成して記録材Pに転写する画像形成部106と、トナー像が転写された記録材Pを加熱・加圧してトナー像を定着する定着装置112とで構成される。
画像形成部106は、光半導体材料の表面層が形成された感光ドラム101を囲んで、帯電ローラ102、露光装置103、現像装置104、転写ローラ105を配設している。
帯電ローラ102は、不図示の帯電電源から負極性の直流電圧に交流電圧を重畳した帯電電圧を印加されて、感光体ドラム101の表面を一様な負極性の電位に帯電する。
露光装置103は、画像データを展開した画像信号に応じてON−OFF変調されたレーザービームLを走査して、感光ドラム101の表面に画像の静電像を書き込む。
現像装置104は、負極性に帯電させたトナーを感光ドラム101に供給して、静電像の露光部に付着させることにより、負極性のトナー像を反転現像する。
記録材Pは、記録材カセット109から分離ローラ110を用いて1枚ずつ取り出されてレジストローラ111で待機し、レジストローラ111によって感光体ドラム101と転写ローラ105の転写ニップへ給送される。
感光ドラム101に担持されたトナー像に重ねて転写ニップを挟持搬送される過程で、不図示の転写電源から転写ローラ105に正極性の電圧が印加されて、感光ドラム101から記録材Pへトナー像が転写される。
トナー像が転写された記録材Pは、定着装置112へ受け渡されて加熱加圧状態で挟持搬送されることにより、粉体上のトナー像が融解加圧されて画像として表面に定着される。
表面にトナー像が定着された記録材Pは、排出ローラ113を通じて排出トレイ114に排出して積載される。
画像形成装置100では、記録材P上にトナー像を転写し、これを定着させることにより最終画像を形成している。未定着トナー像を加熱溶融して定着する定着装置としては様々な方式のものが提案されている。現在、最も一般的なのは、内部にヒータを有する定着ローラに加圧ローラを圧接したニップで定着部を形成して定着を行うローラ定着方式である。
ローラ定着方式は、トナーに対して離型性を有する材料(シリコンゴムやフッ素樹脂)で表面を被覆した定着ローラの表面に、加圧ローラを加圧接触した線状の圧接領域に記録材を通過させて定着を行なう。ローラ定着方式は、ローラ対で圧接部を形成するため、圧接面積を拡大するためには、定着ローラ及び加圧ローラの外径を大きくしなければならない。そのため、画像形成速度を高速化する場合や高光沢画像を得ようとする場合、定着装置が大きくなるという問題がある。
そこで、近年では、加熱部材と加圧部材との少なくとも一方を無端状のベルト部材とすることで、定着装置を大きくすることなく十分大きな圧接面積を確保したベルト定着方式が注目されている。
<画像加熱装置>
図2は定着装置の構成の説明図である。
図2に示すように、定着装置112は、加圧ローラ3とステアリングローラ6との間に張設された無端ベルト状の加圧ベルト2に、円筒状の定着ローラ1を圧接して構成される。定着装置112は、ガイド11から受け渡された記録材Pを定着ローラ1と加圧ベルト2とで挟持搬送して、加熱領域Knを経て定着部Tnを通過させ、記録材Pの表面にトナー像を定着させる。
定着ローラ1の中心には、定着ローラ1を内側から加熱するハロゲンランプヒータ8が配置され、定着ローラ1の表面に対向させて定着ローラの温度を検知する温度センサ7が配置される。温度調整回路12は、温度センサ7の出力をフィードバックしてハロゲンランプヒータ8をON−OFF制御することにより、定着ローラ1の表面温度を一定範囲に制御する。歯車機構13は、定着ローラ1と加圧ローラ3とを一体に回転駆動することにより、定着ローラ1の表面と等しい速度で加圧ベルト2を回転させる。
定着ローラ1は、外径56mm、内径50mmのアルミニウム円筒管の金属性コア1aの表面に、厚さ2mmのシリコンゴムを用いたJISアスカC硬度45度の弾性層1bを設けた加熱ローラである。弾性層1bの表面は、融解されたトナーに対する離型性を確保するために、フッ素樹脂の耐熱離型層(PFA、PTFE)1cで被覆されている。
加圧ベルト2は、耐熱性を具備したものであれば適宜選定して差し支えなく、100Nの張力を持たせて、加圧ローラ3とステアリングローラ6との間に掛け渡して支持される。加圧ベルト2は、厚さ75μm、幅380mm、周長200mmのポリイミドフィルムに、厚さ300μmのシリコンゴム弾性層をコーティングし、その表面をフッ素樹脂の耐熱離型層(PFA、PTFE)で被覆してある。
加圧ローラ3は、両端部を不図示のばね機構によって定着ローラ1に向かって総圧300Nで付勢されて、加圧ベルト2を定着ローラ1との間に挟み込み、加圧ベルト2を定着ローラ1との間に定着部Tnを形成する。加圧ローラ3は、加圧ベルト2を介して定着ローラ1の弾性層1bを所定量弾性的に歪ませる。
加圧ローラ3は、ステンレス円筒管を用いて側面が滑らかなクラウン形状に形成されており、中央部の外径が21mm、両端部の外径が20mmである。
加圧ローラ3の内部には、ハロゲンランプヒータ9が配設され、加圧ローラ3の表面温度を検出する不図示の温度センサの出力をフィードバックしてON−OFF制御することにより温度制御される。
ステアリングローラ6は、加圧ベルト2のベルトステアリング機能及びベルトテンションを付与する機能を担っており、加圧ベルト2を幅方向の一定位置で安定して循環回転可能にする。
定着ローラ1と加圧ベルト2とがニップ域を構成する定着部Tnの入口側(加圧ローラ3の上流側)に対応させて、加圧ベルト2の内側には、加圧パッド4が配置されている。加圧パッド4は、加圧ローラ3とステアリングローラ6との間に配置されて、加圧ベルト2の内側面を総圧400Nで付勢して、加圧ベルト2を定着ローラ1に押し当てて、定着部Tnの入口側に、記録材Pの加熱領域Knを形成する。
加圧パッド4は、ステンレス等の金属板からなる支持板4aの上に、積層されたゴム板等からなる弾性層4bを接着して構成される。加圧ベルト2と加圧ローラ3との隙間に進入させた加圧パッド4の弾性層4bの先端部には、加熱領域Knに無加圧部を発生させないために、金属製のロッド4cが一体的に埋め込まれて設けられている。弾性層4bには、JISアスカC硬度20度のシリコンゴムを使用し、ロッド4cには、外径0.6mmのステンレスワイヤを使用した。
低摩擦シート5は、加圧パッド4のロッド4c部で折り返されて、定着ローラ1への押し圧面と加圧ローラ3との接触面とを連続して覆うように、加圧パッド4の表面に配置される。低摩擦シート5は、耐熱樹脂シート材料に低摩擦材料をコーティングして形成されており、厚さ100μmのポリイミドシートにフッ素樹脂(PTFE)コートティング層を20μm形成してある。
低摩擦シート5は、加圧パッド4のロッド4c部で折り返されて、定着ローラ1に対する押し圧面と加圧ローラ3に対する接触面とを覆うように配置されている。低摩擦シート5の折り返し部の先端は、加圧ローラ3による定着ローラ1加圧部に向かって鋭角状に進入するように配置されている。
低摩擦シート5の表面には、接触面積を低減させて厚さを付加するために、厚みの1.5〜3倍の振幅を持たせて、無数の突起状又は波打ち状のエンボス(凹凸)が型押し成形されている。無数のエンボスは、突出した先端部だけを加圧ベルト2及び加圧ローラ3に摺擦させることで、摺擦面積を減らして摩擦を軽減している。
また、無数のエンボスは、負荷に応じて弾性変形することで、低摩擦シート5に厚み方向の柔軟性を付与しており、エンボスにかかる圧力に応じて高さ方向に変形して、加熱領域Knの圧力分布の起伏を均して、加圧ベルト2との間の摩擦力分布を安定させる。これにより、摩擦力分布の偏りによって加圧ベルト2に作用する幅方向の駆動力が軽減されて、加圧ベルト2の走行状態が安定化される。エンボスの凹凸形状は、半球型、ドーム型、窪みを組み合わせたカウボーイハット型、波打ち型等、任意に選択できる。
ところで、加圧ベルト2の内側面に加圧パッド4を配置して、定着ローラ1と加圧ベルト2との間に、搬送方向に長い大面積の定着ニップを形成する場合、加圧ベルト2の走行状態が不安定になり易い。固定の加圧パッド4の場合、回転するローラ部材に比較して、接触面の圧力分布や摩擦状態が変動し易い。記録材Pを挟み込んだ際に、加圧ベルト2のスリップによる記録材Pの搬送不良や幅方向の位置ずれが発生して、トナー像を定着する際の画像ずれといった画像不良に至る場合がある。
このため、加圧パッド4には、柔軟な弾性層4bを設けて、記録材Pを挟み込んだ際の加熱領域Knに、大きな圧力ムラや圧力変動が発生しないようにしている。低摩擦シート5のエンボスもまた、記録材Pを挟み込んだ際に、部分的な圧力変動に応じて部分的に弾性変形して、加熱領域Knの圧力ムラや圧力分布の変動を緩和している。
<実施例1>
図3は実施例1における支持部とローラ部材とが接触する部分の説明図、図4は実施例1における低摩擦シートの説明図である。
図3に示すように、実施例1では、支持部(4、5)は、加熱ニップ(Tn)へ向かう隙間に進入させて配置されて、加圧部材(2)の内側面を支持して、加圧部材(2)を加熱部材(1)に当接させる。そして、加圧部材(2)の内側面とローラ部材(3)との隙間に位置してローラ部材(3)に接する支持部(4、5)は、軸方向の中央部(4bc)よりも両端部(4be)がローラ部材(3)側に高くなっている。
すなわち、加圧ローラ3に沿った加圧パッド4の側面形状を、中央部4bcよりも両端部4beでより加圧ローラ3側に高くなるように、加圧ローラ3のクラウン形状に応じた曲面に形成してある。
図4に示すように、低摩擦シート5は、加圧パッド4の外観に合わせて折り目を付けられて、加圧パッド4の加圧ローラ対向面A2と加圧ベルト対向面A1とを一体に覆って配置される。低摩擦シート5は、表面全体に、一様な密度と大きさで、無数の円柱状のエンボスが成型されており、エンボスの凹凸を含めた低摩擦シート5の厚さは、全面で一様である。
従って、低摩擦シート5の加圧ローラ摺擦領域Sは、加圧パッド4の側面形状に倣って、軸方向の中央部よりも両端部が加圧ローラ3側に高くなっている。
<実施例2>
図5は実施例2における支持部とローラ部材とが接触する部分の説明図、図6は実施例2の低摩擦シートの構成の説明図、図7は定着ニップの搬送方向の圧力分布の説明図である。
図5に示すように、実施例2では、回転可能な定着ローラ1と、無端ベルト状の加圧ベルト2と、加圧ベルト2内部の定着ローラ対向部に配置した加圧ローラ3及び加圧パッド4とを備える。そして、加圧パッド4と加圧ベルト2もしくは加圧ローラ3との摺動抵抗を低減するため、低摩擦シート5で加圧パッド4を被覆しており、低摩擦シート5の少なくとも加圧ローラ摺擦領域(S)は、長手方向で厚みが異なる。
低摩擦シート5は、表面に無数のエンボス(凹凸)が成型されていて、低摩擦シート5の少なくとも加圧ローラ摺擦領域(S)の厚みは、長手方向端部のほうが中央部よりも厚くなっている。
ここで、低摩擦シート5の加圧ローラ摺擦領域(S)の厚みは、一様な圧力で押し潰された状態でのエンボス(凹凸)の高さが違ってくるように、エンボスの形成条件を変化させて設定されている。
図6に示すように、実施例2の低摩擦シート5は、加圧ローラ摺擦領域Sの厚みが加圧ローラ3の軸方向で異なっていることが特徴である。実施例2では、加圧ローラ摺擦領域Sの長手方向端部にエンボスを形成して中央部には形成しないことにより、厚みの差を設定している。
しかし、加圧ローラ摺擦領域Sの長手方向端部と中央部とで、エンボスの分布密度、高さ、輪郭、面積、突起形状のうち少なくとも1つを変化させることによっても、同様な厚みの差は設定できる。
加圧パッド4の長手方向中央部B2の加圧ローラ摺擦領域Sはフラットであり、長手方向両端部の加圧ローラ摺擦領域Sは、直径300μm、高さ150μm程度の円柱状の凹凸で構成して、低摩擦シート5を厚くしている。低摩擦シート5の折り返し部の加圧ローラ3に接する部分の厚みを、両端部で中央部より厚く設定している。
これにより、長手方向中央部B2で、低摩擦シート5の折り返し部の進入量を最適に調整した場合、長手方向両端部は、加圧ローラ3の外径が小さいにもかかわらず、低摩擦シート5の厚みが十分にある。
このため、図7の(a)に示すように、定着部Tnから加熱領域Knまでの定着ニップ内の圧力分布は、加圧パッド4上のロッド4cから低摩擦シート5先端部まで、圧力抜けが発生することなく、滑らかな圧力分布となっている。
実施例1によれば、良好な記録材Pの搬送性を維持して画像不良を低減しつつ、加圧ベルト2内の加圧ローラ3と加圧パッド4とによる搬送方向に長い大面積の定着ニップを確保できる。
<比較例>
図4に示す加圧パッド4の加圧ローラ摺擦領域Sがフラットで、長手方向中央部と長手方向端部とで一様な断面形状である場合を比較例とする。
図3に示すように、比較例では、加圧パッド4が加圧ベルト2を定着ローラ1に押圧する加熱領域Knから加圧ローラ3が加圧ベルト2を定着ローラ1に押圧する定着部Tnまでの搬送方向に長い定着ニップが形成される。加圧パッド4の加圧ローラ摺擦領域と加圧ベルト摺擦面とは低摩擦シート5で覆われて、加圧ローラ3及び加圧ベルト2に対する摺擦抵抗が低減されている。そして、低摩擦シート5は、高い凹凸と低い凹凸とを混在させて配置することで、加圧ベルト2の摺擦抵抗をさらに低下させて加圧ベルト2の走行を安定化して画像不良等の改善を実現している。
比較例の構成では、加圧ローラ3と加圧パッド4との間に発生するギャップで発生する無加圧部によって画像ずれ等の画像不良が発生する。このため、加圧ベルト2と加圧ローラ3との間に発生するくさび形の隙間に、加圧パッド4と低摩擦シート5の折り返し部とを挟み込んで、無加圧部を無くし、画像不良を改善している。
しかし、くさび形の隙間に対する低摩擦シート5の折り返し部の進入量が多いと、加圧ベルト2の回転時、低摩擦シート5の折り返し部先端が加圧ローラ3を押し下げて、定着ローラ1に対する加圧ローラ3の加圧力を不足させる。その結果、記録材の搬送性、特に定着ローラ1と記録材との剥離性が悪くなり、記録材上のトナー載り量が多い画像を定着した場合に、定着ローラ1に記録材が巻き付くことがある。
一方、くさび形の隙間に対する低摩擦シート5の折り返し部の進入量が少ないと、加圧パッド4と加圧ローラ3との間で加圧ベルト2が定着ローラ1に押圧されず、圧力抜け部が形成されて画像不良が発生する。
従って、くさび形の隙間に対する低摩擦シート5の折り返し部の進入量を最適量にする必要がある。しかし、加圧ローラ3は、加圧時の撓み量を相殺して軸方向に均一な圧力分布の定着部Tnを得るために、側面にクラウン形状が形成されており、長手方向両端部では中央部より径が小さい。
図4に示すように、均一な厚みの低摩擦シート5で覆われた加圧ローラ摺擦領域Sの長手方向全域がフラットな場合、図3に示すように、加圧ローラ3の側面がクラウン形状であるために、加圧ローラ対向面A2に圧力ムラが生じる。
長手方向中央部で低摩擦シート折り返し部の進入量を最適にすると、長手方向端部の加圧ローラ3eの外径が小さいため、ゴム材料の弾性層4bが加圧ローラ3e側へ変形してしまう。このため、図7の(b)に示すように、低摩擦シート5の先端部で圧力抜けが発生してしまう。
一方、長手方向端部で低摩擦シート折り返し部の進入量を最適にすると、長手方向中央部は、加圧ローラ3と加圧ベルト2とが形成するニップに噛み込んでしまう。その結果として、加圧ローラ3が定着ローラ1を十分に押圧できず、定着不良や記録材の剥離不良が発生してしまう。
画像形成装置の構成の説明図である。 定着装置の構成の説明図である。 実施例1における支持部とローラ部材とが接触する部分の説明図である。 実施例1における低摩擦シートの説明図である。 実施例2における支持部とローラ部材とが接触する部分の説明図である。 実施例2の低摩擦シートの構成の説明図である。 定着ニップの搬送方向の圧力分布の説明図である。
符号の説明
1 加熱部材(定着ローラ)
2 加圧部材(加圧ベルト)
3 ローラ部材(加圧ローラ)
4、5 支持部(加圧パッド、低摩擦シート)
4 パッド部材
5 シート部材
101 感光ドラム
102 帯電ローラ
103 露光装置
104 現像装置
105 転写ローラ
112 画像加熱装置(定着装置)
Tn 加熱ニップ(定着部)

Claims (3)

  1. 加熱された表面が回転する加熱部材と、
    前記加熱部材に当接して回転する無端ベルト状の加圧部材と、
    クラウン形状の側面を前記加圧部材の内側面に圧接させて、前記加熱部材と前記加圧部材との間に加熱ニップを形成するローラ部材と、
    前記加熱ニップへ向かう前記加圧部材の内側面と前記ローラ部材との隙間に進入させて配置され、前記加圧部材の内側面を支持して前記加圧部材を前記加熱部材に当接させる支持部と、を備えた画像加熱装置において、
    前記支持部における前記隙間に進入して前記ローラ部材に接する領域は、前記ローラ部材の軸方向に沿った中央部よりも両端部が前記ローラ部材側に高くなっていることを特徴とする画像加熱装置。
  2. 前記支持部は、柔軟な材料で形成されたパッド部材と、前記パッド部材に支持されて前記加圧部材及び前記ローラ部材に摺擦するシート部材とを有し、
    前記パッド部材の前記隙間に進入させた部分は、前記ローラ部材の軸方向に沿って一様な厚さに形成され、
    前記シート部材の前記ローラ部材に接する部分は、前記ローラ部材の軸方向に沿った中央部よりも両端部が厚いことを特徴とする請求項1記載の画像加熱装置。
  3. 前記シート部材の表面には、接触面積を低減させて厚さを付加する無数の凹凸が形成され、
    前記シート部材の前記ローラ部材に接する部分に形成された前記凹凸は、前記ローラ部材の軸方向に沿って中央部よりも両端部で高いことを特徴とする請求項1記載の画像加熱装置。
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