JP2013137475A - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定して動作すると共に良好な定着を行い、さらにウォームアップ時間の短い定着装置を提供する。
【解決手段】走行移動可能な可撓性の無端ベルト２１と、無端ベルト２１の両端に設けられ無端ベルト２１の走行移動をガイドするガイド部４５を有するベルト保持部材４３と、無端ベルト２１の内周面に接触可能に設けられたニップ形成部材４１と、無端ベルト２１を介してニップ形成部材４１と圧接してニップを形成する加圧部材３１と、無端ベルト２１の内周面に設けられた熱源４０とを有し、ニップを通過する被定着材に対し加圧及び加熱により定着を行う定着装置２０において、ガイド部４５はニップの入口部と出口部のみに設けられ、無端ベルト２１をガイド部４４に密着させるテンション部材４６を設けた。
【選択図】図３

Description

本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ、これ等の複合機等の画像形成装置に関し、詳しくは形成後の画像を記録紙に定着させる定着装置に関する。

従来、電子写真方式を利用した画像形成装置が知られており、その画像形成プロセスは、像担持体である感光体ドラムの表面に静電潜像を形成し、感光体ドラム上の静電潜像を現像剤であるトナー等によって現像して可視像化し、現像された画像を転写装置により記録紙に転写して画像を担持させ、圧力や熱等を用いる定着装置によって記録紙上のトナー画像を定着する過程により成立している。

定着装置には、対向するローラもしくはベルトもしくはそれらの組み合わせにより構成された定着回転体が配置されており、記録紙を挟み込み熱及び圧力を加え、トナー像を記録紙上に定着する。一例を挙げると、既に公知である図６に示すベルト定着方式において、熱源である加熱ヒータを有する加熱ローラと表層にゴム層が設けられた定着ローラを内包した定着ベルトと定着ベルトに当接する加圧ローラが定着回転体である。定着装置に到達したトナー像転写済みの転写紙は、定着ベルトと加圧ローラとのニップ部に入り、記録紙が定着ニップ部を通過する過程で転写されたトナー像が加熱及び加圧される。

上述した画像形成装置に用いられる定着装置において、回転体の内面に摺接する固定部材を有する構成が、例えば図７に示す「特許文献１」に開示されている。この技術はフィルム加熱方式であり、一般に発熱体としてのセラミックヒータと、加圧部材としての加圧ローラとの間に耐熱性フィルムからなる定着フィルムを挟ませて定着ニップ部を形成させ、定着ニップ部のフィルムと加圧ローラとの間に画像定着すべき未定着トナー画像を形成担持させた記録紙を導入して、フィルムと一緒に挟持搬送させることでニップ部においてセラミックヒータの熱がフィルムを介して記録紙に与えられ、さらに定着ニップ部の加圧力にて未定着トナー画像を記録紙面に熱圧定着させるものである。このフィルム加熱方式の定着装置は、セラミックヒータ及びフィルムとして低熱容量の部材を用いてオンデマンドタイプの装置を構成することができると共に、画像形成装置の画像形成実行時のみ熱源としてのセラミックヒータに通電して所定の定着温度に発熱させた状態にすればよく、画像形成装置の電源オンから画像形成実行可能状態までの待ち時間が短く（クイックスタート性）、スタンバイ時の消費電力も大幅に小さいといった利点がある。

また、例えば「特許文献２」には、加圧ベルト方式が開示されており、この定着装置は、表面が弾性変形する回転可能な加熱定着ローラと、加熱定着ローラに接触したまま走行可能なエンドレスベルトと、エンドレスベルトの内側に非回転状態で配置されエンドレスベルトを加熱定着ローラに圧接させエンドレスベルトと加熱定着ローラとの間に記録紙が通過させられるベルトニップ部を設けると共に加熱定着ローラの表面を弾性変形させる加圧パッドとを有している。この定着装置によれば、下のローラをベルトにし、記録紙とローラとの接触面積を広げることで熱伝導効率を大幅に向上させ、エネルギ消費を抑制すると同時に小型化を実現できるという利点がある。

しかし「特許文献１」に開示された技術では、耐久性の問題及びベルト温度安定性の問題があった。すなわち、熱源であるセラミックヒータとベルト内面の摺動による耐摩耗性が不十分であり、長時間運転すると連続摩耗を繰り返す面があれて摩擦抵抗が増大し、ベルトの走行が不安定となる、もしくは定着装置の駆動トルクが増大する等の現象が生じる。その結果、画像を形成する記録紙のスリップが生じ画像のずれがしょうじる、または駆動ギヤにかかる応力が増大してギヤの破損を引き起こすという不具合が発生する。また、フィルム加熱方式の定着装置では、ベルトをニップ部で局所的に加熱しているため、回転するベルトがニップ部入口に戻ってくる際にベルト温度は最も冷えた状態となり、（特に高速回転を行うと）定着不良が発生し易いという問題点がある。一方、ベルト内面と固定部材との摺動性の問題を改善する手段として、「特許文献２」では圧力パッドの表層に低摩擦シート（シート状摺動体）としてＰＴＦＥを含浸させたガラス繊維シート（ＰＴＦＥ含浸ガラスクロス）を用いる方法が開示されている。この方法によれば、摺動性が向上することが示されているが、このような加圧ベルト方式の定着装置では定着ローラの熱容量が大きく、昇温が遅いためにウォームアップ時間が長いという問題点がある。
本発明は上述の各問題点を解消し、安定して動作すると共に良好な定着を行い、さらにウォームアップ時間の短い定着装置の提供を目的とする。

請求項１記載の発明は、走行移動可能な可撓性の無端ベルトと、前記無端ベルトの両端に設けられ前記無端ベルトの走行移動をガイドするガイド部を有するベルト保持部材と、前記無端ベルトの内周面に接触可能に設けられたニップ形成部材と、前記無端ベルトを介して前記ニップ形成部材と圧接してニップを形成する加圧部材と、前記無端ベルトの内周面に設けられた熱源とを有し、前記ニップを通過する被定着材に対し加圧及び加熱により定着を行う定着装置において、前記ガイド部は前記ニップの入口部と出口部のみに設けられ、前記無端ベルトを前記ガイド部に密着させるテンション部材を有することを特徴とする。

本発明によれば、トルクを大きくすることなく、定着ベルトの走行も安定した直接加熱方式の定着装置を提供することができる。

本発明の一実施形態を適用可能な画像形成装置の概略図である。 本発明の一実施形態を適用可能な定着装置の概略図である。 本発明の一実施形態に用いられる定着装置のガイド部を説明する概略図である。 本発明の一実施形態に用いられる定着装置のガイド部を説明する概略図である。 本発明の一実施形態の変形例に用いられる定着装置のガイド部を説明する概略図である。 従来の定着装置を示す概略図である。 従来の定着装置を示す概略図である。

図１は、本発明の一実施形態を適用可能な画像形成装置を示している。同図においてタンデム型カラープリンタである画像形成装置１の本体上方に配設されたボトル収容部１０１には、各色（イエロ、マゼンタ、シアン、ブラック）に対応した４つのトナーボトル１０２Ｙ，１０２Ｍ，１０２Ｃ，１０２Ｋがそれぞれ着脱自在に設けられている。

ボトル収容部１０１の下方には中間転写ベルト７８を有する中間転写ユニット８５が配設されており、中間転写ベルト７８と対向するように各色に対応した作像部４Ｙ，４Ｍ，４Ｃ，４Ｋが並設されている。各作像部４にはそれぞれ感光体ドラム５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋが配設されており、各感光体ドラム５の周囲には、それぞれ帯電部７５、現像部７６、クリーニング部７７、図示しない除電部等が配設されている。そして、各感光体ドラム５上で作像プロセス（帯電工程、露光工程、現像工程、転写工程、クリーニング工程）が行われて、各感光体ドラム５上に各色の画像が形成される。

各感光体ドラム５は、図示しない駆動モータによって図１の時計回り方向に回転駆動され、帯電部７５の位置で各感光体ドラム５の表面が一様に帯電される（帯電工程）。その後、各感光体ドラム５の表面は、露光部３から発せられたレーザ光の照射位置に達し、この位置で露光走査によって各色に対応した静電潜像が形成される（露光工程）。その後、各感光体ドラム５の表面は現像装置７６との対向位置に達し、この位置で静電潜像が現像されて各色のトナー像が形成される（現像工程）。その後、各感光体ドラム５の表面は中間転写ベルト７８及び第１転写バイアスローラ７９Ｙ，７９Ｍ，７９Ｃ，７９Ｋとの対向位置に達し、この位置で各感光体ドラム５上のトナー像が中間転写ベルト７８上に転写される（１次転写工程）。このとき、各感光体ドラム５上には僅かながら未転写トナーが残存する。その後、各感光体ドラム５の表面はクリーニング部７７との対向位置に達し、この位置で各感光体ドラム５上に残存した未転写トナーがクリーニング部７７のクリーニングブレードによって機械的に回収される（クリーニング工程）。最後に、各感光体ドラム５の表面は図示しない除電部との対向位置に達し、この位置で各感光体ドラム５上の残留電位が除去される。こうして各感光体ドラム５上で行われる一連の作像プロセスが終了する。その後、現像工程を経て各感光体ドラム５上に形成した各色トナー像を中間転写ベルト７８上に重畳転写することにより、中間転写ベルト７８上にカラー画像が形成される。

ここで中間転写ユニット８５は、中間転写ベルト７８、各１次転写バイアスローラ７９、２次転写バックアップローラ８２、クリーニングバックアップローラ８３、テンションローラ８４、中間転写クリーニング部８０等で構成される。中間転写ベルト７８は、３個のローラ８２，８３，８４によって張架及び支持されると共にローラ８２の回転駆動により図１の矢印方向に走行駆動される。各１次転写バイアスローラ７９は、それぞれ中間転写ベルト７８を各感光体ドラム５との間に挟み込んで１次転写ニップを形成している。各１次転写バイアスローラ７９には、トナーの極性とは逆の転写バイアスが印加される。

中間転写ベルト７８は、矢印方向に走行して各１次転写バイアスローラ７９の１次転写ニップを順次通過する。これにより各感光体ドラム５上の各色トナー像が中間転写ベルト７８上に重ねて１次転写される。その後、各色のトナー像が重ねて転写された中間転写ベルト７８は、２次転写ローラ８９との対向位置に到達する。この位置では、２次転写バックアップローラ８２が２次転写ローラ８９との間に中間転写ベルト７８を挟み込んで２次転写ニップを形成している。中間転写ベルト７８上に形成された４色のトナー像は、２次転写ニップの位置に搬送された記録媒体Ｐ上に転写される。このとき中間転写ベルト７８には、記録媒体Ｐに転写されなかった未転写トナーが残存する。その後、中間転写ベルト７８は中間転写クリーニング部８０の位置に到達し、この位置で中間転写ベルト７８上の未転写トナーが回収される。これにより中間転写ベルト７８上で行われる一連の転写プロセスが終了する。

ここで、２次転写ニップの位置に搬送された記録媒体Ｐは、装置本体の下方に配設された給紙部１２から給紙ローラ９７、レジストローラ対９８等を経由して搬送されたものである。給紙部１２には、転写紙等の記録媒体Ｐが複数枚重ねて収納されている。そして、給紙ローラ９７が図１において反時計回り方向に回転駆動されると、最上位の記録媒体Ｐがレジストローラ対９８のローラ間に向けて給送される。レジストローラ対９８に搬送された記録媒体Ｐは、回転を停止したレジストローラ対９８のニップ間位置で一旦停止する。そして、中間転写ベルト７８上のカラー画像にタイミングを合わせてレジストローラ対９８が回転駆動され、記録媒体Ｐが２次転写ニップに向けて搬送される。これにより記録媒体Ｐ上に所望のカラー画像が転写される。その後、２次転写ニップ位置でカラー画像が転写された記録媒体Ｐは定着装置２０に搬送され、定着ベルト２１及び加圧ローラ３１による熱と圧力とにより表面に転写されたカラー画像が記録媒体Ｐ上に定着される。その後、記録媒体Ｐは排紙ローラ対９９により装置外へと排出され、出力画像としてスタック部１００上に順次スタックされる。これにより画像形成装置１における一連の画像形成プロセスが完了する。

次に、図２を用いて定着装置２０の構成を説明する。定着装置２０の一例として、定着装置２０内に加圧回転体（図２の場合は加圧ローラ３１）と定着ベルト２１とを有し、熱源４０（図２の場合はハロゲンヒータ）により定着ベルト２１が直接加熱されるものがある。このとき、図２に示す定着ベルト２１の内周面側には、定着ベルト２１を介して対向する加圧ローラ３１とニップを形成するニップ形成部材４１が設けられており、ニップ形成部材４１は定着ベルト２１の内周面と直接もしくは摺動シートを介して間接的に摺動するように構成されている。図２に示す例ではニップ部の形状が平坦であるが、凹形状やその他の形状であってもよく、記録紙先端の排出方向が加圧ローラ３１寄りとなり分離性が向上してジャムの発生が抑制されることから、ニップ部の形状は凹形状であることが望ましい。

加圧ローラ３１は、中空の金属ローラにシリコーンゴム層を有しており、さらに離型性を得るため表面にＰＦＡまたはＰＴＦＥ層からなる離型層を有している。加圧ローラ３１は、画像形成装置に設けられたモータ等の駆動源からギヤを介して駆動力が伝達されることにより回転する。また加圧ローラ３１は、スプリング等により定着ベルト２１側に押圧されており、ゴム層が押し潰されて変形することにより所定のニップ幅を有している。加圧ローラ３１としては中実のローラであってもよいが、熱容量が少なくなることから中空の方が好ましく、ハロゲンヒータ等の加熱源を有していてもよい。シリコーンゴム層はソリッドゴムでもよいが、加圧ローラ３１内にヒータがない場合はスポンジゴムを用いてもよく、断熱性が高まり定着ベルト２１の熱が奪われにくくなることからスポンジゴムが望ましい。

定着ベルト２１は、ニッケルやステンレス等の金属ベルトやポリイミド等の樹脂材料を用いた無端ベルトもしくはフィルムであり、ベルトの表層にはＰＦＡまたはＰＴＦＥ層等の離型層を有し、トナーが付着しないように離型性を持たせている。ベルトの基材とＰＦＡまたはＰＴＦＥ層との間には、シリコーンゴム等により形成された弾性層を有していてもよい。弾性層がない場合には熱容量が小さくなり定着性は向上するものの、未定着画像を押し潰して定着させるときにベルト表面の微小な凹凸が画像に転写されて画像のべた部にゆず肌状の跡が残るという不具合が生じるため、これを改善するには弾性層を１００μｍ以上設ける必要があり、弾性層の変形により微小な凹凸が吸収されてゆず肌画像が改善される。

定着ベルト２１の内周面側には、ニップ形成部材４１を支持するための分割部材である支持体４２が設けられており、加圧ローラ３１により圧力を受けるニップ形成部材４１の撓みを防止して軸方向において均一なニップ幅が得られるように構成されている。支持体４２とニップ形成部材４１とは両端部においてフランジ４３により位置決め固定されており、フランジ４３は定着ベルト２１の両端部を保持して走行ガイドとしても機能している。熱源４０の輻射熱等により支持体４２が加熱されてしまう場合には、支持体４２の表面に断熱処理や鏡面処理を施して加熱されることを防止することにより、無駄なエネルギ消費を抑制することができる。

定着ベルト２１を昇温させる熱源４０は図示したハロゲンヒータでもよいが、ＩＨや抵抗発熱体、カーボンヒータ等であってもよい。定着ベルト２１は外部のローラの回転に従動して走行し、図２に示す例では加圧ローラ３１が図示しない駆動源により回転し、ニップ部で定着ベルト２１に駆動力が伝達されることにより定着ベルト２１が走行する。定着ベルト２１はニップ部で挟み込まれて走行するが、ニップ部以外ではフランジ４３にガイドされて走行する。上述の構成により、安価でウォームアップ時間が短い定着装置を実現することができる。

上述の構成では、定着ベルト２１は加圧ローラ３１が駆動することにより連れ回り走行するが、定着ベルト２１の両端部に設けられたフランジ４３がベルト保持部材となって定着ベルト２１の走行をガイドしている。しかし、図２に示すように定着ベルト２１の内周面に沿って全周に定着ベルト２１の走行をガイドするガイド部４４を設ける場合には、ガイド部４４の外径と定着ベルト２１の内径との寸法設定が難しい。ガイド部４４の外径と定着ベルト２１の内径との差を小さくすると、定着ベルト２１の走行は安定する反面、ベルト走行時のトルクが大きくなるという問題点がある。逆にガイド部４４の外径と定着ベルト２１の内径との差を大きくすると、トルクは小さくなるが定着ベルト２１の走行が不安定となる。走行が不安定となると、特に図２に示すような定着ベルト２１を直接加熱する方式では、熱源４０からの距離を常に一定に保つことができなくなるため、定着性能を維持できなくなってしまう。また、このように両端のみをガイドする方式では、定着ベルト２１の中央部は規制されないため、軸方向全域で定着ベルト２１の走行を安定させることは難しい。

上述した問題点を解決すべく本発明の第１の実施形態では、図３及び図４に示すように、ガイド部４４に代えてニップ形成部材４１の入口部と出口部のみに設けられたガイド部４５を用い、定着ベルト２１の内周面側にテンション部材４６を設けている。テンション部材４６は、ガイド部４５に定着ベルト２１が密着する配置であればどこに配置されていてもよい。上述した課題である、トルク低減や軸方向における定着ベルト走行安定性を考えると、テンション部材４６としてはテンションローラが最も適している。この構成とすることにより、トルクを大きくすることなく、定着ベルト２１の走行も安定した直接加熱方式の定着装置を提供することができる。

図２に示した定着装置では、加圧時におけるニップ形成部材４１の撓みを防止するために支持体４２を配置し、その表面にリフレクタ４７を配置することで熱源４０からの輻射熱を反射させてより効果的に定着ベルト２１を加熱している。このため、支持体４２により２分割された領域のうち、熱源４０を有する領域にテンション部材４６を配置することは好ましくない。テンション部材４６は加熱する必要はないが、熱源４０を有する領域にテンション部材４６を配置すると、テンション部材４６も同時に暖められてしまうために効率が悪化してしまう。従って、テンション部材４６を２分割された領域のうち熱源４０を有していない領域に配置することにより、熱源４０による加熱効率を低減させることが防止できる。

本発明の定着装置では、定着ベルト２１を直接加熱する方式であるため熱に対する感度が高いことから、より高精度な温度制御が要求される。例えば、ハガキのような小サイズ紙を通紙した場合に、通紙部と非通紙部とでは定着ベルト２１の温度差が非常に大きくなってしまう。ハロゲンヒータの場合では、中央部用と端部用とでヒータの点灯領域をある程度は規制できるが、様々な用紙サイズに対して万能ではない。点灯領域よりも小さなサイズの紙を通せば定着ベルトの温度差は必ず発生し、それが連続で通紙された場合はその温度差はさらに大きくなり、最悪の場合にはベルト破損に至る。

そこで、テンション部材４６としてヒートパイプを用いることにより、小サイズ通紙によって生じた定着ベルト２１の通紙部と非通紙部との温度差をヒートパイプのテンション部材で緩和する。ここでヒートパイプの配設位置は、定着ベルト２１に温度差が生じるニップ出口から熱源４０へ定着ベルト２１が走行するまでの間に配置する必要がある。このように配置することにより、小サイズ通紙で生じた定着ベルト２１の温度差をヒートパイプで緩和した後に熱源４０へ到達するため、定着ベルト２１の温度差も緩和され無駄な加熱も減るため省エネ効果も望むことができる。

上述した定着ベルト直接加熱方式では、特に熱源４０と定着ベルト２１との距離を一定に保つことが重要である。そこで図５に示すように、ニップ入口に設けたガイド部４５に熱源４０の配設位置まで延伸したアタッチメント４８を追加することにより、熱源４０付近の定着ベルト２１の走行をより安定化させることができる。

本実施形態は、熱源にハロゲンヒータを用いた構成を例として説明したが、本発明はこれには限定されず、ニップ部にセラミック製のヒータを備える構成や可撓性を有し加熱部材の内面上に固設された面状ヒータを用いた構成に適用してもよい。

１ 画像形成装置
２０ 定着装置
２１ 無端ベルト（定着ベルト）
３１ 加圧部材（加圧ローラ）
４０ 熱源
４１ ニップ形成部剤
４２ 分割部材（支持体）
４３ ベルト保持部材（フランジ）
４５ ガイド部
４６ テンション部材

特開平４−４４０７５号公報 特開平８−２６２９０３号公報

Claims (5)

1. 走行移動可能な可撓性の無端ベルトと、前記無端ベルトの両端に設けられ前記無端ベルトの走行移動をガイドするガイド部を有するベルト保持部材と、前記無端ベルトの内周面に接触可能に設けられたニップ形成部材と、前記無端ベルトを介して前記ニップ形成部材と圧接してニップを形成する加圧部材と、前記無端ベルトの内周面に設けられた熱源とを有し、前記ニップを通過する被定着材に対し加圧及び加熱により定着を行う定着装置において、
   前記ガイド部は前記ニップの入口部と出口部のみに設けられ、前記無端ベルトを前記ガイド部に密着させるテンション部材を有することを特徴とする定着装置。
2. 請求項１記載の定着装置において、
   前記無端ベルトの内周面の領域を２分する分割部材を有し、前記テンション部材は前記熱源が配設された領域とは異なる領域に配設されていることを特徴とする定着装置。
3. 請求項１または２記載の定着装置において、
   前記テンション部材としてヒートパイプを用いることを特徴とする定着装置。
4. 請求項１ないし３の何れか１つに記載の定着装置において、
   前記ニップの入口部に設けられた前記ガイド部を前記熱源の配設位置まで延伸させることを特徴とする定着装置。
5. 請求項１ないし４の何れか１つに記載の定着装置を有することを特徴とする画像形成装置。

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