JP2022120890A - 定着装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像品質を向上できる定着装置を提供する。【解決手段】ニップ入口から、定着ニップを通過するトナーの温度が、定着ベルトと定着パッドとの摺動抵抗による用紙に対するトナーの相対移動が発生しないために必要な温度に到達するまでの時間を、ニップ入口から、定着ニップの面圧が、定着ベルトが変形して用紙の表面の凹部に接触するために必要な面圧に到達するまでの時間よりも短くする。【選択図】図５

Description

本開示は、定着装置および画像形成装置に関する。

特開２０１９－１８４７５９号公報（特許文献１）には、パッド定着方式の定着装置が開示されている。定着装置は、定着ベルトと、定着ベルトに対向する対向面を含む定着パッドと、定着ベルトを介して定着パッドと対向して配置され定着パッドと定着ニップ部を形成する加圧ローラーとを備えている。対向面は、記録媒体の搬送方向の下流側に向かうにつれて加圧ローラーの中心に近づくように凹状に湾曲する曲面部と、曲面部に対して記録媒体の搬送方向の下流側に設けられ搬送方向の下流側に向かうにつれて加圧ローラーの中心から離れる延長部とを含んでいる。

特開２０１９－１８４７５９号公報

上記文献に記載の定着パッドは、記録媒体の搬送方向における定着ニップ部の下流側で加圧ローラーに対して凸の形状を有している。定着ニップ部の圧力が最も高くなる位置を搬送方向における下流側にすることで、トナーの溶融の効率の向上を図っている。

しかし、定着パッドの凸部において記録媒体の表面の凹凸に対する定着ベルトの追従性が悪くなり、トナーの溶融不足が発生する場合がある。定着ニップ部において、特に定着ニップ部の入口付近で、定着パッドと定着ベルトとの摺動抵抗により未定着のトナーが記録媒体に対して相対移動すると、記録媒体の下地が露出することで画像の濃度が低下する。

本開示では、画像品質を向上できる定着装置および画像形成装置が提案される。

本開示に従うと、記録媒体上に形成されたトナーの像を記録媒体に定着させる定着装置が提案される。定着装置は、定着ベルトと、定着ベルトを加熱する加熱部材と、定着ベルトに接触する第１加圧部材と、定着ベルトを介して第１加圧部材を押圧し、定着ベルトとの間に定着ニップを形成する第２加圧部材とを備えている。定着ニップの入口から、定着ニップの面圧が、定着ベルトが変形して記録媒体の表面の凹部に接触するために必要な面圧である凹凸追従必要圧に到達するまでの時間を、第１の時間とし、定着ニップの入口から、定着ニップを通過するトナーの温度が、定着ベルトと第１加圧部材との摺動抵抗による記録媒体に対するトナーの相対移動が発生しないために必要な温度に到達するまでの時間を、第１の時間よりも短い第２の時間とするように、定着装置は構成されている。

上記の定着装置は、定着ニップの入口から、定着ニップを通過するトナーの温度が、トナーが記録媒体に十分定着するために必要な温度に到達するまでの時間を、第１の時間よりも長い第３の時間とするように、構成されてもよい。

上記の定着装置は、定着ニップの入口から第３の時間が経過した時点での定着ニップの面圧を、凹凸追従必要圧よりも高く維持するように、構成されてもよい。

上記の定着装置において、記録媒体に対するトナーの相対移動が発生しないために必要な温度は、トナーの形状の変化が起こり始める温度であってもよい。

上記の定着装置において、トナーは離型剤を含み、離型剤はワックスを含み、記録媒体に対するトナーの相対移動が発生しないために必要な温度は、ワックスの融点であってもよい。

上記の定着装置において、第１加圧部材は、定着ニップの入口から、定着ニップを通過するトナーの温度が記録媒体に十分定着するのに必要な温度に到達するまでの時間に相当する範囲において、平坦な形状の表面を有してもよい。

本開示に従うと、記録媒体上にトナーの像を形成する画像形成部と、トナーの像を記録媒体に定着させる上記のいずれかの局面の定着装置とを備える、画像形成装置が提案される。

本開示に係る定着装置および画像形成装置によれば、画像品質を向上することができる。

実施形態に従う画像形成装置の全体構成を概略的に示す図である。 図１に示される画像形成装置の定着装置を示す概略図である。 定着パッドの断面形状を示す拡大断面図である。 用紙の搬送方向における定着ニップ内の圧力分布を示すグラフである。 用紙の搬送方向における定着ニップ内の温度変化を示すグラフである。 ニップ入口におけるトナーの状態を示す模式図である。 トナーワックス融点に到達したときのトナーの状態を示す模式図である。 必要圧到達時間が経過したときのトナーの状態を示す模式図である。 トナー樹脂軟化点に到達したときのトナーの状態を示す模式図である。 必要圧保持時間が経過したときのトナーの状態を示す模式図である。

以下、本開示に係る定着装置および画像形成装置の実施形態について、図面を参照して説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、これらについての詳細な説明は繰り返さない。

［画像形成装置１００の構成］
図１は、実施形態に従う画像形成装置１００の全体構成を概略的に示す図である。以下では、カラープリンターとしての画像形成装置１００について説明するが、画像形成装置１００は、カラープリンターに限定されない。たとえば、画像形成装置１００は、モノクロプリンターであってもよいし、ファックスであってもよいし、スキャナー、プリンターおよびコピー機の機能を有する複合機（ＭＦＰ：Multi－Functional Peripheral）であってもよい。

画像形成装置１００は、画像形成ユニット１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋと、中間転写ベルト３０と、一次転写ローラー３１と、二次転写ローラー３３と、カセット３７と、従動ローラー３８と、駆動ローラー３９と、タイミングローラー４０と、定着装置５０と、制御装置１０１と、筐体１０２とを備えている。

筐体１０２は、画像形成装置１００の外殻を規定している。筐体１０２は、内部に、画像形成ユニット１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋと、中間転写ベルト３０と、一次転写ローラー３１と、二次転写ローラー３３と、カセット３７と、従動ローラー３８と、駆動ローラー３９と、タイミングローラー４０と、定着装置５０と、制御装置１０１とを収容している。

画像形成ユニット１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋと、中間転写ベルト３０と、一次転写ローラー３１と、二次転写ローラー３３と、カセット３７と、従動ローラー３８と、駆動ローラー３９と、タイミングローラー４０とによって画像形成部が構成される。この画像形成部は、後述する搬送経路４１に沿って搬送される記録媒体としての用紙Ｓ上にトナー画像を形成する。

画像形成ユニット１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋは、中間転写ベルト３０に沿って順に並べられている。画像形成ユニット１Ｙは、トナーボトル１５Ｙからトナーの供給を受けてイエロー（Ｙ）のトナーの像を形成する。画像形成ユニット１Ｍは、トナーボトル１５Ｍからトナーの供給を受けてマゼンタ（Ｍ）のトナーの像を形成する。画像形成ユニット１Ｃは、トナーボトル１５Ｃからトナーの供給を受けてシアン（Ｃ）のトナーの像を形成する。画像形成ユニット１Ｋは、トナーボトル１５Ｋからトナーの供給を受けてブラック（ＢＫ）のトナーの像を形成する。

画像形成ユニット１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋは、それぞれ、中間転写ベルト３０に沿って中間転写ベルト３０の回転方向の順に配置されている。画像形成ユニット１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋは、それぞれ、感光体１０と、帯電装置１１と、露光装置１２と、現像装置１３と、クリーニング装置１７とを備えている。

帯電装置１１は、感光体１０の表面を一様に帯電する。露光装置１２は、制御装置１０１からの制御信号に応じて感光体１０にレーザー光を照射し、入力された画像パターンに従って感光体１０の表面を露光する。これにより、入力画像に応じた静電潜像が感光体１０上に形成される。

現像装置１３は、現像ローラー１４を回転させながら、現像ローラー１４に現像バイアスを印加し、現像ローラー１４の表面にトナーを付着させる。これにより、トナーが現像ローラー１４から感光体１０に転写され、静電潜像に応じたトナーの像が感光体１０の表面に現像される。

感光体１０と中間転写ベルト３０とは、一次転写ローラー３１を設けている部分で互いに接触している。一次転写ローラー３１は、ローラー形状を有し、回転可能に構成される。トナーの像と反対極性の転写電圧が一次転写ローラー３１に印加されることによって、トナーの像が感光体１０から中間転写ベルト３０に転写される。イエロー（Ｙ）のトナーの像、マゼンタ（Ｍ）のトナーの像、シアン（Ｃ）のトナーの像、およびブラック（ＢＫ）のトナーの像が順に重ねられて感光体１０から中間転写ベルト３０に転写される。これにより、カラーのトナーの像が中間転写ベルト３０上に形成される。

トナーは、樹脂と、樹脂に分散された着色剤とを含む。樹脂としては、従来公知の材料を特に限定されることなく用いることができ、たとえば、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、スチレンアクリル系共重合樹脂、ウレタン樹脂、塩化ビニル樹脂、または、酢酸ビニル樹脂等を挙げることができる。トナーは、樹脂および着色剤以外に、離型剤を含む。離型剤は、ワックスを含む。ワックスとしては、従来公知の材料を特に限定されることなく用いることができ、たとえば、合成エステルワックスを挙げることができる。

中間転写ベルト３０は、従動ローラー３８および駆動ローラー３９に張架されている。駆動ローラー３９は、たとえばモーター（図示しない）によって回転駆動される。中間転写ベルト３０および従動ローラー３８は、駆動ローラー３９に連動して回転する。これにより、中間転写ベルト３０上のトナーの像が二次転写ローラー３３に搬送される。

クリーニング装置１７は、感光体１０に圧接されている。クリーニング装置１７は、トナーの像の転写後に感光体１０の表面に残留するトナーを回収する。

筐体１０２の底部のカセット３７には、用紙Ｓがセットされる。用紙Ｓは、画像形成装置１００において形成される画像を記録するために用いられる記録媒体の一例である。記録媒体は、普通紙、印画紙、厚紙、封筒などの紙製の記録媒体であってもよく、ＯＨＰ（オーバーヘッド・プロジェクター）用紙などの樹脂製の記録媒体であってもよい。用紙Ｓは、カセット３７から１枚ずつ、タイミングローラー４０によって、搬送経路４１に沿って二次転写ローラー３３に送られる。

二次転写ローラー３３は、ローラー形状を有し、回転可能に構成されている。二次転写ローラー３３は、トナーの像と反対極性の転写電圧を搬送中の用紙Ｓに印加する。これにより、トナーの像は、中間転写ベルト３０から二次転写ローラー３３に引き付けられ、中間転写ベルト３０上のトナーの像が用紙Ｓに転写される。一次転写ローラー３１、中間転写ベルト３０，および二次転写ローラー３３は、トナーの像を感光体１０から用紙Ｓに転写する転写部に相当する。

二次転写ローラー３３への用紙Ｓの搬送タイミングは、中間転写ベルト３０上のトナーの像の位置に合わせてタイミングローラー４０によって調整される。タイミングローラー４０により、中間転写ベルト３０上のトナーの像は、用紙Ｓの適切な位置に転写される。

定着装置５０は、自身を通過する用紙Ｓを加圧および加熱する。これにより、用紙Ｓ上のトナーの像が用紙Ｓに定着する。このように、定着装置５０は、搬送経路４１に沿って搬送される用紙Ｓ上に形成されたトナーの像を、用紙Ｓに定着させる。トナーの像が定着された用紙Ｓは、トレイ４８に排紙される。

なお、上述では、印刷方式としてタンデム方式を採用している画像形成装置１００について説明したが、画像形成装置１００の印刷方式は、タンデム方式に限定されない。画像形成装置１００内における各構成の配置は、採用される印刷方式に従って適宜変更され得る。画像形成装置１００の印刷方式として、ロータリー方式または直接転写方式が採用されてもよい。ロータリー方式の場合、画像形成装置１００は、１つの感光体１０と、同軸上で回転可能に構成される複数の現像装置１３で構成される。画像形成装置１００は、印刷時には、各現像装置１３を感光体１０に順に導き、各色のトナーの像を現像する。直接転写方式の場合、画像形成装置１００は、感光体１０上に形成されたトナーの像が用紙Ｓに直接転写される。

［定着装置５０の構成］
続いて、定着装置５０の構造について詳細に説明する。図２は、図１に示される画像形成装置１００の定着装置５０を示す概略図である。

図２に示されるように、定着装置５０は、加圧ローラー５１と、無端状の定着ベルト５２と、定着ヒーター５４を有する加熱ローラー５３と、定着パッド５６とを主に有している。

加圧ローラー５１は、定着ベルト５２の外側に配置されている。加圧ローラー５１は、定着パッド５６に対向している。加圧ローラー５１は、図示しない付勢部材の付勢力により、定着ベルト５２を間に挟み込んで定着パッド５６を加圧する。これにより、定着ベルト５２が定着パッド５６に押圧される。加圧ローラー５１は、定着ベルト５２を介して定着パッド５６を押圧する。

加圧ローラー５１が定着パッド５６の形状にならうように圧縮変形することで、加圧ローラー５１と定着ベルト５２との間に、加圧ローラー５１と定着ベルト５２との接触領域である定着ニップ５７が形成される。定着パッド５６は、実施形態の第１加圧部材に相当する。加圧ローラー５１は、実施形態の第２加圧部材に相当する。

加圧ローラー５１は、たとえば、芯金、表層、および離型層で構成されている。芯金は、アルミニウムまたは鉄鋼などの金属製であり、中空円筒形状を有している。表層は、芯金の外周面を被覆している。表層は、たとえばシリコーンゴムなどの弾性層である。離型層は、表層を覆うように設けられている。離型層は、たとえば、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）またはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などによって構成されている。

加圧ローラー５１は、駆動モーター６９からのトルクによって、図２中に示される矢印ＡＲ１方向に回転する。加圧ローラー５１の回転に伴って、定着ベルト５２が、図２中に示される矢印ＡＲ３方向に周回する。加圧ローラー５１が回転することにより、定着ベルト５２は、加圧ローラー５１の回転方向と反対方向に回転する。加熱ローラー５３は、定着ベルト５２の周回運動に伴って、図２中に示される矢印ＡＲ４方向に回転する。

加圧ローラー５１は、定着ベルト５２を従動回転させることによって、用紙Ｓを搬送する。定着パッド５６および加圧ローラー５１は、未定着のトナーＴを担持した用紙Ｓを定着ニップ５７で挟持して、所定の搬送方向に搬送しながら用紙Ｓを加熱および加圧する。用紙Ｓが定着ニップ５７を通過する間にトナーＴが加熱および加圧されることにより、用紙Ｓ上に形成されたトナーＴが溶融して、トナーＴの像が用紙Ｓに定着する。

加圧ローラー５１の軸方向（図２においては、紙面垂直方向）の長さは、使用可能な最大サイズの用紙Ｓの幅よりも長い。これは、定着ベルト５２、加熱ローラー５３および定着パッド５６についても、同様である。なお、搬送経路４１に沿う用紙Ｓの搬送方向を、図２中に矢印ＡＲ２で示す。用紙Ｓの幅とは、搬送方向に直交しかつ用紙Ｓの厚み方向に直交する方向（図２においては、紙面垂直方向）における用紙Ｓの寸法をいう。

定着ベルト５２は、無端状に形成されている。定着ベルト５２の周回経路の内側に、定着パッド５６、加熱ローラー５３およびベルトガイド部材５８が配置されている。定着ベルト５２は、定着パッド５６、加熱ローラー５３およびベルトガイド部材５８に、回転可能にかけ回されている。

定着ベルト５２は、基層と、基層を被覆する弾性層と、弾性層を被覆する離型層とを有している。基層は、ニッケル、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、銅などの金属、または、ポリイミド、ポリアミド、ポリイミドアミドなどの樹脂で形成されてもよい。弾性層は、シリコーンゴムまたはフッ素ゴムなどの耐熱性の高い材料で形成されてもよい。離型層は、フッ素樹脂またはフッ素系コーティングなどの、離型性を付与した構成であってもよい。

加熱ローラー５３は、定着ベルト５２の内側に配置されている。加熱ローラー５３は、定着パッド５６から離れた位置に配置されている。加熱ローラー５３は、アルミニウムまたはＳＵＳなどの金属材料製の芯金を有している。芯金は、中空円筒形状を有している。芯金の外周面に、異物などによる外周面の傷の発生を抑制するために、ＰＴＦＥなどをコーティングしてもよい。芯金の外周面に、耐熱離型層を被覆してもよい。

芯金の内部に、定着ベルト５２を加熱する加熱部材としての定着ヒーター５４が配置されている。加熱ローラー５３は、定着ヒーター５４を内蔵している。定着ヒーター５４は、芯金を内側から加熱する。定着ヒーター５４の発生する熱は、加熱ローラー５３を介して、定着ベルト５２に伝達され、さらに、定着ベルト５２を介して、定着ニップ５７を通過する用紙Ｓに伝達される。

定着ヒーター５４は、たとえばハロゲンヒーターである。定着ヒーター５４としてハロゲンヒーターを用いる場合、芯金の内周面を黒色にしてもよい。定着ベルト５２を加熱する加熱部材は、ハロゲンヒーターの他に、誘導加熱式ヒーターまたはカーボンヒーターであってもよく、加熱ローラー５３および定着ベルト５２を抵抗発熱体として発熱させるものを利用してもよい。

定着パッド５６は、定着ベルト５２の内側に配置されている。定着パッド５６は、定着ベルト５２を間に挟んで加圧ローラー５１に対向するように配置されている。定着パッド５６は、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミド、または液晶ポリマーなどの、耐熱性の樹脂で形成されている。定着パッド５６は回転不能であり、回転する定着ベルト５２は定着パッド５６の表面に対して摺動する。

図３は、定着パッド５６の断面形状を示す拡大断面図である。図２および図３に示されるように、定着パッド５６は、定着ベルト５２の内周面に接触する接触面８０と、支持部材５５に当接する支持面８１とを有している。接触面８０は、定着ベルト５２の内周面に対向している。加圧ローラー５１は、接触面８０の表面形状にならうように弾性変形する。

接触面８０は、用紙Ｓの搬送方向の上流側から下流側に向かって順に、凸曲面状の第３面７４と、平坦な形状の第１面７１と、平坦な形状の第２面７２とを有している。ここでいう「平坦」とは、おおよそ平坦であることを意味するものであり、微小な曲率を有し僅かに湾曲する面も「平坦」に含まれるものとする。定着装置５０に封筒が通紙される場合に、封筒にシワが発生しない程度の湾曲であれば、平坦に含まれるものとしてもよい。

第１面７１を延長した仮想平面９５と、第２面７２を延長した仮想平面９６とは、接触面８０が加圧ローラー５１に向かって突出するように、角度をもって交差している。第１面７１と第２面７２とは、互いに交差している。接触面８０は、全体として、加圧ローラー５１に向かって突出するように形成されている。第１面７１と第２面７２とが交わる凸部７３が、接触面８０が最大に突出する突出端となっている。

凸部７３は、用紙Ｓの搬送方向における定着ニップ５７の上流側の始端であるニップ入口５７Ａと、搬送方向における定着ニップ５７の下流側の終端であるニップ出口５７Ｂとの間に設けられている。ニップ入口５７Ａは、定着ニップ５７を通過する用紙ＳおよびトナーＴへの圧力の付与が生じ始める開始端である。ニップ出口５７Ｂは、定着ニップ５７を通過する用紙ＳおよびトナーＴへの圧力の付与が終了する終了端である。

第１面７１は、ニップ入口５７Ａと凸部７３との間の平坦な面を含む。第２面７２は、凸部７３とニップ出口５７Ｂとの間の平坦な面を含む。搬送方向において、第１面７１は凸部７３よりも上流側に位置し、第２面７２は凸部７３よりも下流側に位置している。凸部７３は、搬送方向における第１面７１の下流端を構成する。凸部７３は、搬送方向における第２面７２の上流端を構成する。

凸部７３は、定着ニップ５７の後半部分に設けられている。用紙Ｓの搬送方向における第１面７１の長さは、用紙Ｓの搬送方向における第２面７２の長さよりも長い。凸部７３は、定着ニップ５７の出口側に配置されている。用紙Ｓの搬送方向における、ニップ入口５７Ａから凸部７３までの長さが、凸部７３からニップ出口５７Ｂまでの長さよりも、長くなっている。第１面７１は、用紙Ｓの搬送方向の下流側に向かうに従って、加圧ローラー５１側へ次第に突出している。第２面７２は、用紙Ｓの搬送方向の下流側に向かうに従って、加圧ローラー５１の中心から離れている。定着ニップ５７における圧力は、ニップ入口５７Ａから凸部７３に近づくにつれて大きくなり、凸部７３からニップ出口５７Ｂに近づくにつれて小さくなる。

第３面７４は、平面状の第１面７１を用紙Ｓの搬送方向の上流側に延長した仮想平面９５よりも、搬送経路４１から遠ざかる方向に、第１面７１の上流端９７から延伸した曲面である。第２面７２の下流端９８より搬送方向の下流側においても、定着パッド５６は、曲面形状の表面を有している。

図２に戻って、定着パッド５６は、支持面８１において、支持部材５５により支持されている。支持部材５５は、金属、たとえば、アルミニウムを材料として形成されている。支持部材５５は、定着ベルト５２の幅方向（図２においては紙面垂直方向）に沿って見た場合に、角張ったＵ字形状を有している。支持部材５５は、Ｕ字形状の先端側が加圧ローラー５１と反対側を向くように配置されている。支持部材５５におけるＵ字形状の底部と、定着ベルト５２の回転方向の上流側におけるＵ字形状の腕部とに、定着パッド５６が支持されている。定着ベルト５２の回転方向の下流側におけるＵ字形状の腕部に、ベルトガイド部材５８が支持されている。

支持部材５５は、加圧ローラー５１により圧力を受ける定着パッド５６の変形を抑制することで、加圧ローラー５１の軸方向（図２においては紙面垂直方向）で均一な幅の定着ニップ５７を得られるようにしている。

［定着装置５０の動作の設定］
以上の構成を備えている定着装置５０について、良好な画像品質を得るための動作の設定について説明する。図４は、用紙Ｓの搬送方向における定着ニップ５７内の圧力分布を示すグラフである。図４の横軸は、用紙Ｓの搬送方向における、定着ニップ５７内の（ニップ入口５７Ａからニップ出口５７Ｂまでの）位置を示す。図４の縦軸に示されるニップ面圧（軸方向平均）とは、加圧ローラー５１が定着パッド５６を押圧する荷重を受ける定着ニップ５７内の単位面積当たりに加わる圧力を、加圧ローラー５１の軸方向において平均した結果を示す。

ニップ面圧は、加圧ローラー５１による荷重付与中にシート状の圧力センサ（たとえば、ニッタ社製のタクタイルセンサ）を定着ニップ５７内に挟み込ませることにより、計測することができる。用紙Ｓが定着ニップ５７を通過する時間は、用紙Ｓの搬送速度、および、ニップ面圧の計測結果から算出することができる。

図４のグラフ中の横軸に平行な破線は、定着ニップ５７内において加圧ローラー５１が定着パッド５６を押圧する荷重により定着ベルト５２の表面の弾性層が変形して用紙Ｓの表面の凹部に接触するために必要な面圧（以下、凹凸追従必要圧Ｐと称する）を示す。用紙Ｓは複数の長い繊維が絡み合って構成されているため、絡み合う繊維と繊維との間に凹型の空隙（凹部）が形成される。一般的な普通紙においても表面に凹凸が存在する。エンボス紙は普通紙よりも大きい凹凸を有する。

凹凸追従必要圧Ｐは、定着ベルト５２の表面が、通紙可能な各種類の用紙Ｓの表面における凹凸高さのうちの最大値に対応する変形をするために必要な圧力である。定着装置５０に、普通紙のみが通紙されることが想定されている場合と、普通紙とエンボス紙との両方が通紙されることが想定されている場合とでは、凹凸追従必要圧Ｐは異なり、後者の方が凹凸追従必要圧Ｐが高くなる。凹凸追従必要圧Ｐは、定着ベルト５２の表面の弾性層の硬度、用紙Ｓの表面の凹凸高さ、用紙Ｓの表面の凹凸の搬送方向における周期から、計算機シミュレーションまたは実測により求めることができる。

図４に示されるように、ニップ面圧は、ニップ入口（図４中の点Ａ。図３に示されるニップ入口５７Ａに相当）から用紙Ｓの搬送方向に増加し、凹凸追従必要圧Ｐよりも大きくなるまで増加する。図４中の点Ｂは、計測ばらつきを考慮しても確実にニップ面圧が凹凸追従必要圧Ｐ以上に保たれる領域の上流端の、搬送方向の位置を示す。定着ニップ５７内を搬送される用紙Ｓが点Ａ（ニップ入口）から点Ｂに到達するまでの時間を、必要圧到達時間ｔ１と称する。必要圧到達時間ｔ１は、実施形態の第１の時間に相当する。

図４中の点Ｃは、計測ばらつきを考慮しても確実にニップ面圧が凹凸追従必要圧Ｐ以上に保たれる領域の下流端の、搬送方向の位置を示す。定着ニップ５７内を搬送される用紙Ｓが点Ｂから点Ｃに到達するまでの時間を、必要圧保持時間ｔ２と称する。

点Ｂと点Ｃとの間に、ニップ面圧が最大値となる点が存在する。図４に示されるように、ニップ面圧は、ニップ入口から点Ｂに至るまで急に増加し、点Ｂから最大圧力に至るまで緩やかに増加し、最大圧力に至った後点Ｃまで緩やかに減少し、点Ｃから急に減少する分布をとる。

必要圧到達時間ｔ１および必要圧保持時間ｔ２は、定着パッド５６の形状および寸法、加圧ローラー５１の外周面の硬度、加圧ローラー５１の寸法、加圧ローラー５１が定着パッド５６を押圧する荷重から、求めることができる。

図５は、用紙Ｓの搬送方向における定着ニップ５７内の温度変化を示すグラフである。図５の横軸は、図４と同様に、用紙Ｓの搬送方向における、定着ニップ５７内の（ニップ入口５７Ａからニップ出口５７Ｂまでの）位置を示す。図５の縦軸は、定着ニップ５７内の各位置における温度を示す。図５においては、定着ベルト５２の表面の温度が実線で、用紙Ｓ上のトナーＴの温度が一点鎖線で、用紙Ｓの表面の温度が二点鎖線で図示されている。

用紙Ｓが定着ニップ５７を通過する間のトナーＴの温度および用紙Ｓの表面の温度の推移は、計算機シミュレーションで求めることができる。トナーＴの温度および用紙Ｓの表面の温度は、定着ヒーター５４の制御方法、定着ヒーター５４から加熱ローラー５３への熱伝達量、加熱ローラー５３から定着ベルト５２への熱伝達量などの定着装置５０の物性および構造、ならびにトナーＴの物性値から、求めることができる。または、定着ベルト５２に接触する側の表面に所定の温度センサ、たとえば熱電対など、を固定した用紙Ｓを定着ニップ５７に通過させることにより、トナーＴの温度および用紙Ｓの表面の温度を実測することができる。

図５のグラフ中の横軸に平行な２つの破線のうち横軸に近い側の線は、トナーＴに含まれる離型剤に含まれるワックスの融点（以下、トナーワックス融点Ｔｗｍと称する）を示す。図５のグラフ中の横軸に平行な２つの破線のうち横軸から離れる側の線は、トナーＴを構成する樹脂の軟化点温度（以下、トナー樹脂軟化点Ｔｍと称する）を示す。

トナーワックス融点Ｔｗｍは、トナー樹脂軟化点Ｔｍより低く、定着ベルト５２と定着パッド５６との摺動抵抗によるせん断力が働くことで用紙Ｓに対するトナーＴの相対移動が発生しない程度に、トナーＴに含まれるワックスが溶融する温度であればよい。適度にトナーＴが溶融する前にトナーＴに大きなせん断力が作用するとトナーＴの相対移動が発生するため、これを防止する目的である。トナーＴの温度は、トナーＴが適度に溶融していることを確認するための指標として用いられる。トナーＴの温度は、用紙Ｓ上に形成されるトナーＴの層の厚み方向における中心の温度であってもよい。トナーＴの温度は、トナーＴと用紙Ｓとの界面の温度であってもよい。

トナー樹脂軟化点Ｔｍは、トナーＴが完全に溶融するための条件として既定される。トナーＴの表面に接触する定着ベルト５２からの伝熱によりトナーＴと用紙Ｓとの界面の温度がトナー樹脂軟化点Ｔｍ以上であれば、トナーＴが用紙Ｓに十分定着しているとの考えである。トナーＴと用紙Ｓとの界面の温度は、用紙Ｓの表面の凹凸形状の凹部における温度に限定してもよい。凹部内に存在するトナーＴが完全に用紙Ｓに固着していない状態でのせん断力の作用でトナーＴが相対移動することを防止する目的である。

トナーワックス融点Ｔｗｍとトナー樹脂軟化点Ｔｍとは、トナーＴに含まれる樹脂およびワックスの種類、トナーＴ中に含有されるワックスの比率、トナーＴの粒子径などの、トナーＴの物性値に従って決定される。なお、トナーＴの温度がトナーワックス融点Ｔｗｍ以上トナー樹脂軟化点Ｔｍ以下の間は、加圧ローラー５１の押圧によるトナーＴを用紙Ｓに対して固着させる力が、せん断力によるトナーＴを用紙Ｓに対して相対移動させる力よりも大きくなる。

図５中の点Ａ，Ｂ，Ｃは、図４を参照して説明した通りである。点Ｄは、トナーＴの温度を示す曲線とトナーワックス融点Ｔｗｍとの交点であり、トナーＴの温度がトナーワックス融点Ｔｗｍに到達する位置を示す。点Ｅは、トナーＴの温度を示す曲線とトナー樹脂軟化点Ｔｍとの交点であり、トナーＴの温度がトナー樹脂軟化点Ｔｍに到達する位置を示す。

図５に示されるように、定着装置５０は、定着ニップ５７を通過するトナーＴの温度がトナーワックス融点Ｔｗｍに到達するまでの時間が、必要圧到達時間ｔ１よりも短くなるように設定されている。図４，５に示される点Ａから点ＢまでトナーＴが搬送される所要時間が、図５に示される点Ａから点ＤまでトナーＴが搬送される所要時間よりも長く設定されている。定着装置５０は、ニップ入口５７Ａから面圧が凹凸追従必要圧Ｐに到達するまでの時間が、定着ニップ５７を通過中のトナーＴの温度が用紙Ｓに対するトナーＴの相対移動が発生しないために必要な温度に到達するまでの時間より長くなるように、構成されている。ニップ入口５７Ａから、定着ニップ５７を通過するトナーＴの温度がトナーワックス融点Ｔｗｍに到達するまでの時間は、実施形態の第２の時間に相当する。

定着装置５０は、定着ニップ５７を通過するトナーＴの温度がトナー樹脂軟化点Ｔｍに到達するまでの時間が、必要圧到達時間ｔ１よりも長くなるように設定されている。トナーＴがニップ入口５７Ａに到達してから、トナーＴの温度がトナー樹脂軟化点Ｔｍに到達するまでの時間は、定着ニップ５７を通過中のトナーＴが用紙Ｓに十分定着するのに必要な時間であるといえる。図４，５に示される点Ａから点ＢまでトナーＴが搬送される所要時間が、図５に示される点Ａから点ＥまでトナーＴが搬送される所要時間よりも短く設定されている。定着装置５０は、ニップ入口５７Ａから面圧が凹凸追従必要圧Ｐに到達する迄の時間が、定着ニップ５７内を通過中のトナーＴの温度が用紙Ｓに対して十分定着するのに必要な温度に到達するまでの時間より短くなるように、構成されている。ニップ入口５７Ａから、定着ニップ５７を通過するトナーＴの温度がトナー樹脂軟化点Ｔｍに到達するまでの時間は、実施形態の第３の時間に相当する。

定着装置５０は、必要圧到達時間ｔ１と必要圧保持時間ｔ２との合計が、トナーＴの温度がトナー樹脂軟化点Ｔｍに到達するまでの時間よりも長くなるように設定されている。図４，５に示される点Ａから点ＣまでトナーＴが搬送される所要時間が、図５に示される点Ａから点ＥまでトナーＴが搬送される所要時間よりも長く設定されている。定着装置５０は、ニップ入口５７Ａから凹凸追従必要圧Ｐを維持する時間が、定着ニップ５７内を通過中の用紙Ｓの表面（トナーＴの像が形成されている画像面）の温度が、トナーＴの温度が用紙Ｓに対して十分定着するのに必要な温度に到達するまでの時間より長くなるように、構成されている。定着装置５０は、ニップ入口５７Ａから定着ニップ５７内を通過中のトナーＴの温度が用紙Ｓに対して十分定着するのに必要な温度に到達するまでの時間が経過した時点での定着ニップ５７の面圧を、凹凸追従必要圧Ｐよりも高く維持するように、構成されている。

図３を併せて参照して、定着パッド５６の接触面８０は、平坦な形状の第１面７１を有している。第１面７１は、用紙Ｓの搬送方向に対して平行に延びている。第１面７１は、用紙Ｓの搬送方向に対して湾曲していない。定着パッド５６は、ニップ入口５７Ａから、トナーＴの温度がトナー樹脂軟化点Ｔｍに到達するまでの時間に相当する範囲において、平坦な形状の表面を有している。定着パッド５６は、ニップ入口５７Ａから、定着ニップ５７内を通過中のトナーＴの温度が用紙Ｓに十分定着するのに必要な温度に到達するまでの範囲において、平坦な形状の表面を有している。

必要圧保持時間ｔ２は、変更可能である。必要圧保持時間ｔ２の終了時の定着ニップ５７内の位置（図４，５に示される点Ｃに相当）が、トナーＴの温度がトナー樹脂軟化点Ｔｍ以上になる定着ニップ５７内の位置（図５に示される点Ｅに相当）よりも、定着ニップ５７の下流側（ニップ出口５７Ｂにより近い位置）であればよい。必要圧保持時間ｔ２をより長くすることで、用紙Ｓの表面の凹部のトナーＴを効率的に用紙Ｓに定着させることができる。必要圧保持時間ｔ２を、画像形成装置１００を使用するユーザーの好み、定着装置５０に通紙される紙種に合わせて変更してもよい。光沢設計、紙種対応などにより、画像形成装置１００の機種毎に必要圧保持時間ｔ２を設定してもよい。

［定着ニップ５７内におけるトナーＴの溶融］
図６は、ニップ入口におけるトナーＴの状態を示す模式図である。図６には、用紙Ｓが定着ニップ５７の入口（図３に示されるニップ入口５７Ａ、図４，５に示される点Ａ）を通過するときの、用紙Ｓ上に形成されたトナーＴが模式的に示されている。図６および後述する図７～１０に示される矢印ＡＲ２は、図２を参照して説明した用紙Ｓの搬送方向である。矢印Ｘは、定着ベルト５２と定着パッド５６との摺動摩擦抵抗が定着ベルト５２に作用する方向を示す。

図５を併せて参照して、ニップ入口５７Ａでは、定着ベルト５２からトナーＴへの熱伝達量が小さく、トナーＴの温度はトナーワックス融点Ｔｗｍよりも低い。そのため、全てのトナーＴが溶融しておらず、トナーＴは粒子状の形状を保持している。ニップ入口５７Ａでは、加圧ローラー５１の押圧により定着ベルト５２に作用する荷重も低く、そのため用紙Ｓに対するトナーＴの相対移動も発生していない。

図７は、トナーワックス融点Ｔｗｍに到達したときのトナーＴの状態を示す模式図である。図７には、用紙Ｓが点Ｄの位置を通過するときの、用紙Ｓ上に形成されたトナーＴが模式的に示されている。図７および後述する図８～１０に示される下向きの白抜き矢印は、加圧ローラー５１の押圧により定着ベルト５２に作用する荷重を模式的に示すものである。

図７に示されるように、トナーＴの温度がトナーワックス融点Ｔｗｍに到達した時点で、定着ベルト５２との界面側のトナーＴは一部溶融しているが、加圧ローラー５１の押圧の作用による荷重が低いため、トナーＴが変形するには至っていない。トナーＴの温度がトナーワックス融点Ｔｗｍよりも高くなると、トナーＴが変形し始める。トナーワックス融点Ｔｗｍは、トナーＴの形状の変化が起こり始める温度であるといえる。

図８は、必要圧到達時間ｔ１が経過したときのトナーＴの状態を示す模式図である。図８には、用紙Ｓが点Ｂの位置を通過するときの、用紙Ｓ上に形成されたトナーＴが模式的に示されている。

図５を併せて参照して、トナーＴの温度がトナーワックス融点Ｔｗｍよりも高くなっていることで、トナーＴは一部溶解している。図４を併せて参照して、ニップ面圧が凹凸追従必要圧Ｐよりも高くなっており、トナーＴの変形に必要なニップ面圧が作用している。加圧ローラー５１の押圧の作用による荷重を受けて、定着ベルト５２との界面側の一部のトナーＴが変形している。

加圧ローラー５１が定着ベルト５２を介して定着パッド５６を押圧する荷重が増大することで、定着ベルト５２と定着パッド５６との摺動抵抗が増大している。これにより、定着ベルト５２からトナーＴに矢印Ｘ方向の摩擦力が作用する。このとき、定着ベルト５２との界面にある溶融したトナーＴが変形することにより、用紙Ｓとの界面にあるトナーＴの用紙Ｓに対する相対移動は発生しない。

図９は、トナー樹脂軟化点Ｔｍに到達したときのトナーＴの状態を示す模式図である。図９には、用紙Ｓが点Ｅの位置を通過するときの、用紙Ｓ上に形成されたトナーＴが模式的に示されている。

トナーＴの温度がトナー樹脂軟化点Ｔｍに到達することで、図９に示されるように、定着ベルト５２との界面にあるトナーＴが溶融して一体化した層構造を形成している。図８を参照して説明した通り、定着ベルト５２との界面にある溶融したトナーＴの変形が矢印Ｘ方向の摩擦力を吸収することにより、用紙Ｓとの界面にあるトナーＴの用紙Ｓに対する相対移動は発生しない。

図１０は、必要圧保持時間ｔ２が経過したときのトナーＴの状態を示す模式図である。図９には、用紙Ｓが点Ｃの位置を通過するときの、用紙Ｓ上に形成されたトナーＴが模式的に示されている。

図５を併せて参照して、用紙Ｓの表面の温度もトナー樹脂軟化点Ｔｍに到達することで、トナーＴの全体が溶融する。溶融したトナーＴが、用紙Ｓの表面の凹凸形状に合わせて変形する。これにより、トナーＴの像の用紙Ｓへの定着が完了する。

［作用および効果］
上述した説明と一部重複する記載もあるが、本実施形態の特徴的な構成および作用効果についてまとめて記載すると、以下の通りである。

定着装置５０は、図５に示されるように、ニップ入口５７Ａから、定着ニップ５７を通過するトナーＴの温度が、定着ベルト５２と定着パッド５６との摺動抵抗による用紙Ｓに対するトナーＴの相対移動が発生しないために必要な温度に到達するまでの時間を、必要圧到達時間ｔ１よりも短くするように、構成されている。より具体的には、トナーＴの温度が、トナーＴの形状の変化が起こり始める温度、つまりトナーワックス融点Ｔｗｍに到達するまでの時間が、必要圧到達時間ｔ１よりも短く設定されている。

ニップ面圧が凹凸追従必要圧Ｐに到達するよりも前にトナーＴの温度をトナーワックス融点Ｔｗｍに到達させることで、図７，８に示されるように、用紙Ｓの表面の未定着のトナーＴがせん断力により搬送方向の下流に相対移動する前に、ワックスを溶融させることができる。未定着のトナーＴが本来の位置からずれることが抑制される結果、用紙Ｓの全体のトナーＴの被覆率の低下が抑制され、画像濃度の低下を効率的に抑制できる。したがって、実施形態の定着装置５０および画像形成装置１００は、画像品質を向上することができる。

図５に示されるように、定着装置５０は、ニップ入口５７Ａから、定着ニップ５７を通過するトナーＴの温度が、トナーＴが用紙Ｓに十分定着するために必要な温度、具体的にはトナー樹脂軟化点Ｔｍ、に到達するまでの時間を、必要圧到達時間ｔ１よりも長くするように、構成されている。

ニップ面圧が凹凸追従必要圧Ｐに到達した後に、トナーＴの温度をトナー樹脂軟化点Ｔｍに到達させることで、図９，１０に示されるように、トナーＴの全体を溶融させることができる。用紙Ｓの表面の凹部に存在するトナーＴにも十分な圧力と熱量とを付与してトナーＴを確実に凹部に定着させることができるので、画像濃度の低下を抑制でき、画像品質を向上することができる。

図４，５に示されるように、定着装置５０は、トナーＴの温度がトナー樹脂軟化点Ｔｍに到達した時点でのニップ面圧を、凹凸追従必要圧Ｐよりも高く維持するように、構成されている。

トナーＴの温度がトナー樹脂軟化点Ｔｍに到達するまで、凹凸追従必要圧Ｐよりも高いニップ面圧が維持されるので、図９，１０に示されるように、溶融したトナーＴを用紙Ｓの表面の凹凸形状に合わせて変形させ、トナーＴを確実に凹部に定着させることができる。

図３に示されるように、定着パッド５６は、ニップ入口５７Ａから、トナーＴの温度がトナー樹脂軟化点Ｔｍに到達するまでの時間に相当する範囲において、平坦な形状の表面を有している。

トナーＴが十分に溶融する前に定着ベルト５２に接触する定着パッド５６の形状を平坦にすることで、定着ベルト５２と定着パッド５６との摺動抵抗によるせん断力を抑制できる効果が好適に得られる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

５０ 定着装置、５１ 加圧ローラー、５２ 定着ベルト、５３ 加熱ローラー、５４ 定着ヒーター、５５ 支持部材、５６ 定着パッド、５７ 定着ニップ、５７Ａ ニップ入口、５７Ｂ ニップ出口、５８ ベルトガイド部材、６９ 駆動モーター、７１ 第１面、７２ 第２面、７３ 凸部、７４ 第３面、８０ 接触面、８１ 支持面、９５，９６ 仮想平面、９７ 上流端、９８ 下流端、１００ 画像形成装置。

Claims (7)

1. 記録媒体上に形成されたトナーの像を前記記録媒体に定着させる定着装置であって、
   定着ベルトと、
   前記定着ベルトを加熱する加熱部材と、
   前記定着ベルトに接触する第１加圧部材と、
   前記定着ベルトを介して前記第１加圧部材を押圧し、前記定着ベルトとの間に定着ニップを形成する第２加圧部材とを備え、
   前記定着ニップの入口から、前記定着ニップの面圧が、前記定着ベルトが変形して前記記録媒体の表面の凹部に接触するために必要な面圧である凹凸追従必要圧に到達するまでの時間を、第１の時間とし、前記定着ニップの入口から、前記定着ニップを通過する前記トナーの温度が、前記定着ベルトと前記第１加圧部材との摺動抵抗による前記記録媒体に対する前記トナーの相対移動が発生しないために必要な温度に到達するまでの時間を、前記第１の時間よりも短い第２の時間とするように構成された、定着装置。
2. 前記定着ニップの入口から、前記定着ニップを通過する前記トナーの温度が、前記トナーが前記記録媒体に十分定着するために必要な温度に到達するまでの時間を、前記第１の時間よりも長い第３の時間とするように構成された、請求項１に記載の定着装置。
3. 前記定着ニップの入口から前記第３の時間が経過した時点での前記定着ニップの面圧を、前記凹凸追従必要圧よりも高く維持するように構成された、請求項２に記載の定着装置。
4. 前記記録媒体に対する前記トナーの相対移動が発生しないために必要な温度は、前記トナーの形状の変化が起こり始める温度である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の定着装置。
5. 前記トナーは離型剤を含み、
   前記離型剤はワックスを含み、
   前記記録媒体に対する前記トナーの相対移動が発生しないために必要な温度は、前記ワックスの融点である、請求項４に記載の定着装置。
6. 前記第１加圧部材は、前記定着ニップの入口から、前記定着ニップを通過する前記トナーの温度が前記記録媒体に十分定着するのに必要な温度に到達するまでの時間に相当する範囲において、平坦な形状の表面を有する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の定着装置。
7. 記録媒体上にトナーの像を形成する画像形成部と、
   前記トナーの像を前記記録媒体に定着させる、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の定着装置とを備える、画像形成装置。

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