JP3282494B2 - 画像定着装置 - Google Patents

画像定着装置

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JP3282494B2
JP3282494B2 JP11566896A JP11566896A JP3282494B2 JP 3282494 B2 JP3282494 B2 JP 3282494B2 JP 11566896 A JP11566896 A JP 11566896A JP 11566896 A JP11566896 A JP 11566896A JP 3282494 B2 JP3282494 B2 JP 3282494B2
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    • G03G15/2014Apparatus for electrographic processes using a charge pattern for fixing, e.g. by using heat using heat using contact heat
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、複写機、プリン
ター、ファクシミリなどの電子写真方式を利用した画像
形成装置において未定着トナー像を加熱定着する画像定
着装置に係り、特にベルトニップ方式の画像定着装置に
関する。
【0002】
【従来の技術】図12は、この発明の出願人が提案し、
特開平5−150679号公報に開示された画像定着装
置を示す。図において、符号101は回転可能に配置さ
れた加熱定着ロールを示す。この加熱定着ロール101
は、アルミニウムなどの熱伝導率の高い金属で形成され
た円筒状のコア103を有し、その表面に弾性体からな
る被覆層104を形成したものである。被覆層104
は、コア103の表面に直接被覆されたHTV(Hig
h Temperature Vulcanizati
on)シリコーンゴムからなる下地層120と、その外
側に被覆されたRTV(Room Temperatu
re Vulcanization)シリコーンゴムか
らなるトップコート層121とを積層したものである。
【0003】コア103の内部には、加熱源としてハロ
ゲンランプ105が配置されている。また、加熱定着ロ
ール101の表面には温度センサ106が配置され、こ
の表面の温度を計測する。そして、温度センサ106の
計測信号により、図示しない温度コントローラが作動さ
れハロゲンランプ105の点滅が制御されて、加熱定着
ロール101の表面が所定の温度に調節されるようにな
っている。また、加熱定着ロール101の表面には、オ
イル供給装置109によって離型剤であるシリコンオイ
ルが供給されており、これによりシート107に未定着
のトナー108の像を定着する際に、トナー108の一
部が加熱定着ロール101にオフセットするのを防止す
るようになっている。
【0004】さらにこの定着装置においては、圧力ロー
ル125が、圧縮コイルスプリング126によって加熱
定着ロール101に対して押圧されている。また、加熱
定着ロール101に向けて圧力補助ロール129が押圧
されている。そして、圧力ロール125および圧力補助
ロール129の周囲には、ロール122,123,12
4が配置されており、ロール122,123,124、
圧力ロール125、圧力補助ロール129の周囲にはエ
ンドレスベルト115が巻回されている。
【0005】圧力ロール125および圧力補助ロール1
29が加熱定着ロール101に対して圧接させられてい
ることによって、エンドレスベルト115は加熱定着ロ
ール101に接触して、加熱定着ロール101とエンド
レスベルト115との間が、シート107を通過させる
ためのニップ(ベルトニップ)となる。そして加熱定着
ロール101およびエンドレスベルト115が、矢印に
示すように回転すると共に、シート7が回転する加熱定
着ロール101とエンドレスベルト115との間に搬送
され、このシート107がベルトニップを通過する際
に、ベルトニップに作用する圧力とハロゲンランプ10
5から加熱定着ロール101を通じて与えられる熱によ
り未定着のトナー108がシート107上に定着される
ようになっている。
【0006】このようなベルトニップ方式の構成を採用
することにより、シート107がベルトニップの幅(図
示の例では圧力ロール125と圧力補助ロール129で
押さえられているベルトの長さ)に対応する時間加熱さ
れるようになるので、加熱定着ロール101と圧力ロー
ルのみを圧接させてエンドレスベルト115を使用しな
い場合に比べると、シート107の搬送速度を大きくし
ても十分な定着時間を確保することが可能になるという
利点がある。また、同じ搬送速度であれば、ベルトニッ
プ方式の方が、エンドレスベルト115を使用しない方
式よりも加熱時間が長くなり、トナーにより多量の熱を
与えることができるため、ベルトニップ方式は特に多層
のトナーを所望の色に発色させるカラー複写機の定着に
適している。
【0007】また、この画像定着装置においては、加熱
定着ロール101の表面に弾性体であるシリコーンゴム
からなる被覆層104が形成されており、この被覆層1
04が圧力ロール125の圧接力を受けて圧接領域にお
いて局所的に歪むようになっている。すなわち、被覆層
104の表面速度が局所的に大きくなるため、圧力ロー
ル125の圧接領域においてシートと被覆層104との
間に微小なズレが生じる。また、高温状態のトナー10
8は被覆層104へ付着しようとする傾向があるが、こ
のときのズレによってトナー108と被覆層104との
界面に微小なスリップが生じ、その付着が防止されてい
ると考えられる。
【0008】これによって、シート107はトナー10
8と加熱定着ロール101との付着力に抗して加熱定着
ロール101から剥離される。溶融されたトナーと加熱
定着ロール101との表面の付着力は、両者の界面化学
的な材料物性値にも左右されるので、シート107が剥
離する挙動はトナーの種類や被覆層104の材質に応じ
て異なるが、この画像定着装置によると、剥離爪などの
剥離手段を使用しなくても、シート107を加熱定着ロ
ール101から剥離することができる(以下、これをセ
ルフストリッピングという)。このため、腰が弱くて剥
離しにくい薄紙や、多量のトナーが付着した用紙でも、
セルフストリッピングさせることができる。
【0009】その他、ベルトニップ方式を採用した画像
定着装置としては、特開昭52−69337号公報、特
開昭60−151677号公報、特開昭60−1516
81号公報、特開昭62−14675号公報、特開平2
−222982号公報、特開平2−308287号公
報、特開平4−50885号公報、特開平4−1152
79号公報、実開昭60−104852号公報、実開平
2−30961号公報、実開平3−86374号公報、
実開平3−92661号公報および実開平4−5086
4号公報に記載されたものがある。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ベルトニップ方式の画像定着装置には、次のような問題
がある。すなわち、現在主流となっている熱融着式のト
ナー108を利用した場合には、シート107を必ず加
熱してトナー108をシート107に融着させなければ
ならないが、この加熱の際には暖まったシート107の
繊維の間隙やトナー粒子の間隙から空気が熱膨張したり
水蒸気が蒸発してくる。このような空気や水蒸気は、シ
ート107がベルトニップ内で加熱されることにより発
生し、シート107がベルトニップを通過するまでベル
トニップ内、具体的にはシート107と加熱定着ロール
101またはエンドレスベルト115との間に気泡とな
って介在し、シート107がベルトニップを通過し終え
ると同時に外部に排出される。このベルトニップ内で
は、図13に示すように、圧力ロール125による押圧
部と圧力補助ロール129による押圧部との間に、圧接
力の小さい領域が広く存在しており、この領域に気泡が
介在すると、加熱定着ロール101とエンドレスベルト
115との間にギャップが生じることがある。このよう
なギャップが生じると、ベルトニップ内にあるシート1
07上のトナー108がまだすべて定着していない状態
では、未定着のトナー108が、気泡が動き回ることに
よって移動してしまうことがある。このため、画像のニ
ジミやズレ、乱れなどが発生するという問題点がある。
【0011】図14は、図11に示す装置で未着のトナ
ー108の像を定着する際に、ベルトニップの中央すな
わち圧力ロール125と圧力補助ロール129との中間
で、加熱定着ロール101とエンドレスベルト115と
の間に生じたギャップを計測した結果を示す。なお、使
用したシートは富士ゼロックス社製のA3サイズのJ紙
であり、ギャップは加熱定着ロールとエンドレスベルト
間の間隔を測定し、この値から紙の厚さを差し引いたも
のである。図14の結果からも明らかなように、定着ロ
ール温度がほぼ環境温度の場合にはギャップはないが、
定着ロール温度を高くすると、加熱定着ロール101と
エンドレスベルト115との間に生じるギャップが大き
くなっていく。これは、空気や水蒸気が熱膨張するため
であると考えられる。つまり、ベルト張力によるエンド
レスベルトの加熱定着ロールへの押圧力は小さいため、
空気や水蒸気の熱膨張を押さえきれずギャップが生じる
ものと考える。
【0012】したがって、圧力ロールおよび圧力補助ロ
ールは、この空気や水蒸気の熱膨張を押さえてギャップ
が生じないだけの荷重を加えなければならない。しか
し、圧接力の小さい部分、すなわち圧力ロール125と
圧力補助ロール129との中間においては、加熱定着ロ
ール101とエンドレスベルト115との間にギャップ
が生じやすく、未定着のトナー108が移動するのを防
止できる十分な圧力が与えられないことになる。加熱定
着ロールおよび加圧定着ロールを使用し、エンドレスベ
ルトを使用しない方式では、圧力が大きいために、この
ような不具合は少ないが、ベルトニップ方式では、圧力
を小さくしているだけに、気泡によりトナー108の像
が乱される可能性も大きく、実際に使用した場合にも、
気泡が原因と考えられる画像のニジミやズレ、乱れなど
が発生している。
【0013】この発明は前記の課題を考慮してなされた
ものであり、その目的は、いわゆるベルトニップ内の空
気の膨張や水蒸気の発生によるトナー像の乱れを防止し
ながら、トナー像を定着させることができる画像定着装
置を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本願発明に係る画像定着装置は、 表面付近に弾
性体層を有し、回転可能に支持された加熱定着ロール
と、 前記加熱定着ロールの外周面に沿って湾曲するよ
うに接触し、トナー像を担持した記録シートが前記加熱
定着ロールとの間に挟み込まれるニップを形成するエン
ドレスベルトと、前記エンドレスベルトの内面側に当接
され、前記加熱定着ロールの表面に沿って前記エンドレ
スベルトをほぼ均等な圧力分布で押圧するパッド状の圧
力付与部材とを有し、 前記圧力付与部材の押圧面に作
用する圧力は、前記加熱定着ロールと前記エンドレスベ
ルトとの間に取り込まれた気体の温度上昇による体積膨
張を抑止する圧力以上に設定されているものとする。
【0015】このような構成の画像定着装置では、圧力
付与部材の圧接面が、加熱定着ロールの表面にエンドレ
スベルトを介して押圧され、エンドレスベルトは加熱定
着ロールの周方向に広く圧接されている。この圧力付与
部材の押圧面に作用する圧力を、記録シートやトナー粒
子間にある空気や水蒸気の熱膨張を抑制することができ
る値以上にすることにより、ベルトニップ内での気泡の
発生および成長を抑制でき、熱膨張した気泡によって未
定着のトナーが攪乱されるのを防止することができる。
【0016】このようにエンドレスベルトと加熱定着ロ
ールとの間のギャップの発生を防止するためには、圧力
付与部材によってベルトを加熱定着ロールに押え付け、
ベルトニップ内の圧力Pnを上昇させて、空気又は水蒸
気の体積の増大を抑止するものであるが、この圧力Pn
は、具体的には式(1)に示すように設定することによ
り実現できると考えられる。PnPoTnTo−1) (1) ここで、Tnは加熱定着ロールの温度、Toは加熱定着ロ
ールから十分離れた位置における空気の温度(環境温度
とする)、Poは大気圧である。
【0017】式(1)は、次のように導かれる。まず、
理想気体の状態方程式(2)は次の通りである。 PV = nRT (2) したがって、式(3)(4)が導かれる。 (PoPnVn = nRTn (3)PoVo = nRTo (4) ここで、Vnはベルトニップ内の空気の体積、Voはベル
トニップ外の空気の体積である。ベルトニップ内の空気
の膨張を抑制するには、Vn≦Voでなければならない。
このことから、式(5)が導かれる。Tn /(PoPn) ≦ ToPo (5) そして式(5)を変形すると、式(1)が導かれる。
【0018】また、上記発明にあって、エンドレスベル
トは、複数のロールに張架されている構成や周方向に無
張力状態に支持される構成等を適宜に設定することがで
きる。エンドレスベルトを無張力状態に支持することに
より、支持ロールなどの張架手段が不要となるという利
点がある。また、圧力付与部材の押圧面は好適な材料を
設定することが望ましい。例えば、押圧面が耐熱性を有
する材料からなり、ほぼ全面に微小な凹凸が形成されて
いるものや、耐熱性の繊維からなる布に耐熱性樹脂を含
浸させた部材で形成されているもの等を選択できる。そ
して、加熱定着ロールとエンドレスベルトとの間の摩擦
係数μ1 よりも、圧力付与部材とエンドレスベルトとの
間の摩擦係数μ2 が小さくなっていることが望ましい。
これにより、エンドレスベルトは、圧力付与部材によっ
て停止されずに、加熱定着ロールの回転に追随して走行
可能となる。従って、例えば、加熱定着ロールのみが回
転してシート上のトナーが加熱定着ロールに擦られて画
像が乱れてしまうような不都合を抑制することができ
る。
【0019】また、加熱定着ロールの回転方向における
圧力付与部材よりも下流側に、エンドレスベルトを加熱
定着ロールに押圧する加圧部材を配設し、該加熱定着ロ
ールの弾性体層を変形させるようにしてもよい。これに
より、弾性体層の表面速度が局所的に大きくなり、シー
ト上のトナーと弾性体層との界面に微小なスリップが生
じてトナーの付着を防止することができる。したがっ
て、シートは加熱定着ロールから容易に剥離される。
【0020】また、この加圧部材は、圧力付与部材と一
体に支持され、該加圧部材が加熱定着ロールに圧接され
る範囲と、圧力付与部材が加熱定着ロールに圧接される
範囲とが、加熱定着ロールの周方向に近接していること
が望ましい。これにより、ベルトニップ域の押圧部を周
方向に幅広く形成することが可能となり、ニップ域で圧
接力が小さくなる部分をなくすことができる。したがっ
て、シートやトナー粒子間に含まれる空気や水蒸気の熱
膨張による画像の乱れが防止に防止される。
【0021】一方、圧力付与部材がベルトニップの一部
に圧接されるときの周方向の範囲は、エンドレスベルト
が加熱定着ロールと当接された位置から、トナーの粘性
がガラス状からゴム状流動を生じる状態へ転移する温度
に加熱される位置までに設定されていることが望まし
い。これは次のような作用によるものである。シート上
に担持されたトナーはニップ内に入ると加熱定着ロール
によって加熱され温度が上昇する。そして、ある温度に
達するとトナーの粒子はガラス状からゴム状流動が生じ
る状態に転移し、この状態となるとトナー粒子相互間の
付着力が発生して容易にはトナー粒子の移動が起こらな
い。したがって、この温度に加熱されるまでが画像の乱
れを生じやすい領域であり、この部分に圧力付与部材を
圧接することによって有効に画像の乱れを防止すること
ができる。
【0022】さらに、加圧部材と圧力付与部材とが離れ
ている場合でも、圧力付与部材の圧接される周方向の範
囲は、エンドレスベルトが加熱定着ロールに圧接されて
から離れるまでの周方向長さの1/2以上であることが
望ましい。これは次のような作用による。一般に定着に
適した加熱温度は、適切な流動性を有する状態と対応す
る温度として設定される。この温度まで加熱定着ロール
によって加熱する際には、その約1/2の加熱時間でト
ナーがガラス状からゴム状流動を生じる状態に転移す
る。このとき、シートとトナーとの間に接着力が生じ始
める。したがって、シートがニップで圧接されてから最
終的に定着されるまでの1/2の範囲までが、画像の乱
れの生じやすい領域となっており、この部分に圧力付与
部材を圧接することによって有効に画像の乱れが防止さ
れる。また、このような画像定着装置では、ニップ域の
圧力付与部材による押圧部と、加圧部材による押圧部と
の間に低圧の領域が存在しても、トナー像のズレや乱れ
を防止することができる。ただし理想的には、ニップ域
の圧力ロールによる押圧部と、圧力付与部材による押圧
部との間に低圧の領域が存在しないことが好ましい。
【0023】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図に基
づいて説明する。図1は、請求項1、請求項2、請求項
3、請求項5、請求項6、請求項7又は請求項8に記載
の発明の一実施形態である画像定着装置を示す概略構成
図である。この画像定着装置は、加熱源を内蔵した加熱
定着ロール1と、3つの支持ロール12,13,14に
張架され上記加熱定着ロール1に圧接されるエンドレス
ベルト15と、このエンドレスベルトの内面側に当接さ
れ、加熱定着ロール1の表面に沿ってエンドレスベルト
15を押圧する圧力付与部材11とで主要部が構成され
ている。
【0024】上記加熱定着ロール1は、内部に円筒状の
コア2を有しており、モータ6によって周方向に回転駆
動されるものである。このコア2は、外径47mm、内
径42mm、長さ350mmのアルミニウムで形成され
ている。コア2の表面には、下地層3aとして硬度45
°(JIS−A)のHTVシリコーンゴムが厚さ2mm
で直接被覆され、さらにその上にトップコート層3bと
してRTVシリコーンゴムが厚さ50μmでディップコ
ートされている。これにより被覆層3が形成されてお
り、被覆層3は鏡面状態に近い表面に仕上げられてい
る。下地層3aのゴムの硬度は、Teclock社製の
スプリングタイプのA型硬度計により、JIS K63
01に準拠して、荷重1,000gfを付加して計測し
た結果である。なお、コア2としてはアルミニウムでな
くても熱伝導率の高い金属製のものを使用することがで
き、被覆層3としては耐熱性の高い弾性体であれば他の
材料を使用することができる。
【0025】コア2の内部には、加熱源として出力85
0wのハロゲンランプ5が配置されている。また、加熱
定着ロール1の表面には温度センサ10が配置され、こ
の表面の温度を計測する。そして、温度センサ10の計
測信号により、図示しない温度コントローラによってハ
ロゲンランプ5がフィードバック制御されて、加熱定着
ロール1の表面が150℃に調節されるようになってい
る。
【0026】また、加熱定着ロール1の近傍にはオイル
供給装置9が配設されている。オイル供給装置9は、離
型剤を貯蔵するタンク9aからスポンジ状の吸上げ部材
9b、ロール9c,9dを通じて加熱定着ロール1の表
面に離型剤を常に一定量供給する。これによりシート7
に未定着のトナー8の像を定着する際に、トナー8の一
部が加熱定着ロール1にオフセットするのが防止されて
いる。オイル供給装置9によって供給される離型剤とし
ては、粘度1000csのジメチルシリコンオイル(商
品名「KF−96」:信越化学株式会社製)が使用され
る。
【0027】上記圧力付与部材11は、ベースプレート
11aの表面に弾性層11bと低摩擦層11cとを積層
して形成したものであり、ベースプレート11a側に配
置された圧縮コイルスプリング16によって加熱定着ロ
ール1に向けて押圧されている。ベースプレート11a
は、幅(ベルトの走行方向)20mm、長さ(紙面の垂
直方向)320mm、厚さ5mmのステンレス鋼製のも
のである。また、弾性層11bは、ゴム硬度23°のシ
リコーンスポンジ(シリコーンゴムの発泡体)からなる
厚さ5mmのものである。なお、ここでゴム硬度は、高
分子科学社製のアスカーCタイプのスポンジ用ゴム硬度
計により、荷重300gfを付加して計測した結果であ
る。さらに、低摩擦層11cとしては、ポリテトラフル
オロエチレンを含浸させたガラス繊維シートである中興
化成製の「FGF−400−4」(商品名)を用いてい
る。
【0028】ここで弾性層11bが設けられていること
により、低摩擦層11cのエンドレスベルト15と接触
する接触面は、加熱定着ロール1の外周面と整合可能に
なっている。すなわち、一定以上の荷重によって圧力付
与部材11を加熱定着ロール1に向けて押圧すれば、弾
性層11bが変形し、低摩擦層11cの接触面が加熱定
着ロール1の外周面に沿って圧接されるように変形する
ようになっている。したがって、圧力付与部材11が圧
縮コイルスプリング16によって加熱定着ロール1に押
圧されると、エンドレスベルト15は加熱定着ロール1
に隙間なく圧接される。
【0029】また、低摩擦層11cの表面には、粘度1
000csのジメチルシリコンオイル(商品名「KF−
96」:信越化学株式会社製)が塗布されており、これ
によってエンドレスベルト15と圧力付与部材11との
間の摩擦係数が小さくなるようになされている。そし
て、ジメチルシリコンオイルを塗布した状態では、エン
ドレスベルト15と加熱定着ロール1との間の摩擦係数
μ1よりも、圧力付与部材11とエンドレスベルト15
との間の摩擦係数μ2は小さくなっている。このよう
に、エンドレスベルト15の両面における摩擦係数を設
定することによって、エンドレスベルト15は、加熱定
着ロール1の回転に伴って、圧力付与部材11上を滑り
ながら走行が可能となる。
【0030】上記エンドレスベルト15は、ポリイミド
フィルムにより厚さ75μm、幅300mm、周長18
8mmに形成されている。このエンドレスベルト15
は、加熱定着ロール1と離れた位置に配置された支持ロ
ール12,13,14の周囲に約8kgfの張力で巻回
されている。支持ロール12,13,14はステンレス
によって形成されており、その直径は、それぞれ18m
m,18mm,23mmである。
【0031】このエンドレスベルト15は、圧力付与部
材11が加熱定着ロール1に向けて押圧されていること
により、加熱定着ロール1に隙間なく圧接される。この
とき、圧力付与部材11の接触圧力は、約0.56kg
f/cm2 に設定されている。また、加熱定着ロール1
が、モータ27により周速度V=220mm/secで
回転しており、この回転によりエンドレスベルト15も
速度220mm/secで従動回転するようになってい
る。
【0032】次に、上記画像定着装置の動作について説
明する。上記画像定着装置では、図1中の右側におい
て、図示しない転写装置によりシート7の上にトナー8
の像が転写され、ベルトニップに向けてこのシート7が
搬送されてくる。シート7は、ベルトニップの圧力付与
部材11の配置されている位置に侵入する。そして、ベ
ルトニップに作用する圧力とハロゲンランプ5によって
加熱定着ロール1を通じて与えられる熱により、トナー
8の像がシート7上に定着される。
【0033】ここで、従来技術のようにベルトニップ内
の圧力が十分でない場合には、ベルトニップを通過中に
シート7が加熱されることにより、シート7の繊維間お
よびトナー8の粒子間に含まれていた空気や水蒸気が膨
張又は蒸発して、シート7と加熱定着ロール1との間に
侵出してくる。そして、この空気や水蒸気がベルトニッ
プ内で気泡となって、未定着のトナー8を攪乱すること
になる。
【0034】しかし、本例の画像定着装置では、エンド
レスベルト15を圧力付与部材11の接触面によって加
熱定着ロール1に向けて押し付けており、この接触面が
加熱定着ロール1の外周面とほぼ整合可能になってい
る。したがって、図2に示すように、エンドレスベルト
15を加熱定着ロール1に対して隙間なく圧接すること
ができ、これによってシート7やトナー8から空気や水
蒸気が膨張してくるのを抑制することができる。このた
め、ベルトニップ内での気泡の発生および成長を抑制で
き、成長した気泡によって未定着のトナー8が攪乱され
るのを防止することができる。
【0035】これと同時に、圧力付与部材11の接触面
で大きな面積にわたって、エンドレスベルト15と加熱
定着ロール1との間に作用する圧接力を与えることがで
きるので、ベルトニップ間を通過するシート7上のトナ
ー8をエンドレスベルト15と加熱定着ロール1とで確
実に押さえて定着させることが可能である。このように
して、トナー像の乱れを防止しながら、トナー像を定着
させることができる。すなわち、定着された画像にニジ
ミやズレなどの乱れが生じるのを防止することが可能で
ある。
【0036】図3は、請求項1、請求項2、請求項4、
請求項5、請求項6、請求項7又は請求項8に記載の発
明の一実施形態である画像定着装置を示す概略構成図で
ある。この画像定着装置では、エンドレスベルト35、
および圧力付与部材31の支持の仕方が図1に示す画像
定着装置と異なっている。すなわち、図1に示す画像定
着装置では、3本の支持ロール12,13,14によっ
てエンドレスベルト15を張架していたが、ここでは、
エンドレスベルト35は無張力状態で圧力付与部材31
によって加熱定着ロールに押圧されている。この圧力付
与部材31は支持部材32に取り付けられ、これらがス
プリング36によって加熱定着ロール21に押圧されて
おり、支持部材32上に取り付けられた弾性層31aと
その表面の低摩擦層31bとからなるものである。
【0037】また、支持部材32にはエンドレスベルト
35を案内するためのガイド部材33が取り付けられ、
その表面に周方向に沿って突起部34が形成されてい
る。エンドレスベルト35には、ニップ領域外で張力は
働いておらず、加熱定着ロール21の回転に伴ってエン
ドレスベルト35がガイド部材33の周囲を走行するよ
うになっている。エンドレスベルト35は、厚さ30μ
mのニッケル製のものであり、加熱定着ロール1と圧力
付与部材31とで挟まれるベルトニップの部分では、両
者の圧接面の形状に応じて変形するようになっている。
ただし、適当な可撓性を有していれば、他の金属でエン
ドレスベルト35を形成することも可能である。
【0038】上記ガイド部材33はエンドレスベルト3
5の形状に合わせたほぼ円形となっているが、エンドレ
スベルト35の走行を妨げるものでなければ、他の形状
であってもよい。例えば、楕円形などであってもよい。
また、ガイド部材33の材質も、ある程度の剛性を有
し、ベルトニップから熱を奪い過ぎず、エンドレスベル
ト35の走行を阻害しなければ、様々なものを使用する
ことができる。例えば、金網や樹脂などでガイド部材3
3を形成することができる。なお、この画像定着装置の
他の構成は図1に示す画像定着装置と同じである。
【0039】このような画像定着装置では、エンドレス
ベルト35は加熱定着ロール21の回転に伴って回転す
る。エンドレスベルト35は金属によって形成されてお
り、図1中に示すエンドレスベルト15のようなポリイ
ミドフィルム製のものよりも高い剛性を有している。こ
のため、ロールによって張力を与えなくても、波打ちや
しわなどが発生することがない。したがって、従来エン
ドレスベルトの張架に用いられてきたロールを排除する
ことができ、装置の大幅な簡素化、小型化および費用の
低減を達成することが可能である。
【0040】また、圧力付与部材31の接触面は加熱定
着ロール21の外周面に合わせて変形し、これにより図
4に示すようにエンドレスベルト35が加熱定着ロール
21に隙間なく広い範囲で圧接される。このとき、圧力
付与部材31による接触圧力は、0.56kgf/cm
2 に設定されており、これによってベルトニップ内の圧
力Pnも0.56kgf/cm2 となる。従って、ベル
トニップ内において低圧部分が生じることがなく、空気
や水蒸気の熱膨張を抑制してトナー像のずれや乱れを防
止することができる。
【0041】図5は、請求項1、請求項2、請求項3、
請求項5から請求項10まで、請求項12又は請求項1
3に記載の発明の一実施形態である画像定着装置を示す
概略構成図である。この画像定着装置では、エンドレス
ベルト55を支持するロールの構成が図1に示す画像定
着装置と異なっている。図1に示す画像定着装置では、
3本の支持ロール12,13,14によってエンドレス
ベルト15を張架していたが、ここでは、該支持ロール
12に代えて、加圧部材である圧力ロール52が配設さ
れ、エンドレスベルト55を加熱定着ロール41に圧接
するようになっている。
【0042】この圧力ロール52は、加熱定着ロール4
1の回転方向における圧力付与部材51の下流側に設け
られており、コイルスプリング57によって加熱定着ロ
ール41に約16kgfの荷重で押圧されている。これ
により、加熱定着ロール41の弾性層43に局部的に変
形を生じさせるようになっている。この圧力ロール52
および圧力付与部材51によって、エンドレスベルト5
5が加熱定着ロール41に圧接されており、これらの配
置により、加熱定着ロール41へのエンドレスベルト5
5の巻付角度は45°となっている。この場合ベルトニ
ップの幅は20mmとなる。
【0043】上記圧力付与部材51は、ベルトの走行方
向の幅が15mmのベースプレート51a上に弾性層5
1bと低摩擦層51cとを積層したものであり、ベルト
ニップにおける低摩擦層51cの接触面の幅(ベルトの
走行方向で計って)が約12mmとなっている。ここで
加熱定着ロール41とエンドレスベルト55とが接触す
る軸方向の長さは300mmである。また、圧力付与部
材51の接触荷重は20kgfに設定されており、接触
面の幅が12mmであることから、圧力付与部材51の
接触圧力は、0.56kgf/cm2 となっている。
【0044】また、圧力付与部材51とエンドレスベル
ト55との間の摩擦係数μ2は、エンドレスベルト55
と加熱定着ロール41との間の摩擦係数μ1よりも小さ
く設定されている。これにより、エンドレスベルト55
は、加熱定着ロール41の回転に伴って、圧力付与部材
51上を滑りながら走行可能となる。この摩擦係数μ1
と摩擦係数μ2との間の差Δμは、大きい方が好適であ
り、この差Δμについては後述する。なお、この画像定
着装置の他の構成は図1に示す画像定着装置と同じであ
る。
【0045】このような画像定着装置では、加熱定着ロ
ール41が回転駆動されることによってエンドレスベル
ト55もこれに従って周回移動する。そして、ベルトニ
ップに未定着のトナー48を担持したシート47が送り
込まれる。このとき、加熱定着ロール41及びエンドレ
スベルト55の周速は220mm/secとなってい
る。ベルトニップ内では、圧力付与部材51と圧力ロー
ル52とが圧接されることにより、圧力分布は図6に示
すようになっており、圧力付与部材51によって押圧さ
れる領域を通過した後に圧接力が小さくなる範囲が生じ
ている。
【0046】シート47上のトナー48は、このような
ベルトニップ内を通過する間に以下のような挙動を示
す。すなわち、図7(a)に示すように、シート47上
のトナー48はベルトニップ内を通過する間に加熱さ
れ、ベルトニップの中央部付近(ニップ入口から約10
mmの位置)で、トナー48はガラス状からゴム状流動
が生じる状態への転移温度付近まで加熱される。このた
め、図7(b)に示すようにトナーの粘性率が急激に減
少し、トナーはゴム状流動を生じる状態となる。したが
って、この後エンドレスベルトの圧接力が小さい領域を
通過してもトナーは移動することなく画像の乱れ等を生
じない。そして、ベルトニップ内でトナー48は更に加
熱され、ベルトニップに作用する圧力により、トナー4
8はシート47上に融着される。
【0047】また、圧力ロール52との対向位置では、
加熱定着ローラ41が局所的に変形しており、その変形
部での表面速度が局所的に大きくなるため、シート47
と加熱定着ローラ41との間にズレが生じる。このズレ
によって、トナー48と加熱定着ローラ41との界面に
微小なスリップを生じて、トナー48が加熱定着ローラ
41に付着することなく、シート41上に定着される。
【0048】このような画像定着装置において、エンド
レスベルト55と加熱定着ロール41との間の隙間の発
生を防止するためには、圧力付与部材51によってベル
トニップに与える圧力Pnが(1)に示す条件を満足す
ればよいと考えることができる。PnPoTnTo−1) (1)
【0049】ベルトニップ内での定着温度Tnを150
℃とし、環境温度Toを20℃とすると、上記式(1)
より圧力Pnを0.44kgf/cm2 以上にすること
が必要となる。本例では、圧力付与部材51の接触圧力
は、0.56kgf/cm2 としており、これによって
ベルトニップ内の圧力Pnも0.56kgf/cm2
なって隙間の発生が防止される。
【0050】ただし、圧力付与部材51でエンドレスベ
ルト55を押圧する領域が短すぎれば、トナー48がゴ
ム状流動状態となる以前にシート47がベルトニップの
圧力付与部材51で押圧されている部分を抜け出してし
まい、ベルトニップ内の後続の部分でシート47やトナ
ー48から膨張した空気や水蒸気が侵出して気泡を形成
することになる。
【0051】そこで、圧力付与部材51でエンドレスベ
ルト55を押圧する長さ(圧力付与部材51で押圧する
ニップ幅)を変更して、画像のズレやニジミといった画
像の乱れの発生の有無を調べる実験を行った。この実験
結果を表1に示す。
【0052】
【表1】
【0053】表1において、記号×はシート7上に目視
で認識できる画像の乱れが発生したことを示し、△は目
視では分からないが拡大すると認識できる画像の乱れが
発生したことを示し、○は拡大しても画像の乱れが発見
されず最も良好であったことを示す。この実験では、ま
ず、前記のように、画像の乱れを防止するには、ベルト
ニップ内の圧力Pnが0.44kgf/cm2 以上であ
ると効果的であることが判明した。
【0054】また、ベルトニップ内の圧力Pnが0.4
4kgf/cm2 以上の条件においては、圧力付与部材
51でエンドレスベルト55の走行方向においてエンド
レスベルト55を押圧する長さは、6mmでは十分では
なく、10mm以上必要であることが分かる。前記のよ
うに、本例でのベルトニップの全幅(エンドレスベルト
55の走行方向におけるベルトニップの長さ)は、20
mmであるから、画像の乱れを防止するには、圧力付与
部材51が、エンドレスベルト55の走行方向における
ベルトニップの長さの1/2以上にわたって、エンドレ
スベルト55を押圧しなければならないことになる。
【0055】さらに、定着速度を220mm/secか
ら300mm/secに高速化した場合、記録シート上
のトナー像を定着するためには、加熱定着ロールの温度
を170°Cにする必要がある。この条件で表1と同様
の実験を行い、その実験結果を表2に示す。
【表2】
【0056】ここで、表1の結果よりも画像乱れが起こ
りやすくなる傾向がある。これは加熱定着ロールの温度
が高いことに起因すると考えられ、式(1)に基づいて
導かれるニップ圧力Pnの下限値は0.52kgf/c
2 となる。一方、上記表2に示される実験結果では、
ニップ圧力Pnが0.55kgf/cm2 以上で画像乱
れが有効に防止されており、式(1)によって導かれる
条件を満足することによって画像乱れが防止されること
が解る。
【0057】次に、図8は、エンドレスベルト55と加
熱定着ロール41との間の摩擦係数μ1と、圧力付与部
材41とエンドレスベルト55との間の摩擦係数μ2と
の差Δμを変更して、加熱定着ロール41の回転にエン
ドレスベルト55が追随して走行することができるか否
かを調べた実験結果を示す。同図中、点線は加熱定着ロ
ール41の周速度Vを示し、実線はエンドレスベルト5
5の走行速度を示す。なお、加熱定着ロール1の周速度
Vは、前記の通り220mm/secとした。
【0058】前述のように、エンドレスベルト55が、
加熱定着ロール41の回転に伴って圧力付与部材51上
を滑りながら走行するためには、摩擦係数μ2が摩擦係
数μ1よりも小さくなければならない。また、図8より
明らかなように、摩擦係数μ1と摩擦係数μ2の差Δμ
が小さいときには、圧力付与部材51との摩擦によって
エンドレスベルト55の速度が低下させられ、加熱定着
ロール1とエンドレスベルト55との間に滑りが生じて
しまう。そして、エンドレスベルト55が加熱定着ロー
ル41の周速度Vと等しい速度で走行するためには、摩
擦係数μ1と摩擦係数μ2との差Δμが0.5以上であ
ることが好ましい。
【0059】図9は、請求項1、請求項2、請求項4か
ら請求項9まで、請求項11、請求項12又は請求項1
3に記載の発明の一実施形態である画像定着装置を示す
概略構成図である。この画像定着装置では、図3に示す
画像定着装置と同様にエンドレスベルト75が周方向に
無張力状態で支持されているが、圧力付与部材71と加
圧部材76とが支持部材72上に一体形成されており、
この支持部材72の背面側からスプリング76によって
加熱定着ロール61に押圧されている。この加圧部材7
6は、ロール状の部材であるが非回転の状態で用いられ
ており、圧力部材76の押圧力によって加熱定着ロール
61の弾性層63に変形を生じるようになっている。ま
た、このような変形を生じさせることができるものであ
れば、ロール状の部材に限らず、エッジあるいは曲率を
持った部材を押圧してもよい。
【0060】また、上記支持部材72にはエンドレスベ
ルト75を案内するためのガイド部材73が設けられて
おり、図10に示すようにその表面には、エンドレスベ
ルトの周回移動方向に沿った突起部74がほぼ等間隔で
設けられている。これにより、エンドレスベルト75の
内周面との接触面積が少なくなり、エンドレスベルト7
5の走行時の摩擦が小さくなるようにされている。ま
た、ガイド部材73の両端部には、フランジ77が設け
られており、これによってエンドレスベルト75が加熱
定着ロール61の軸線方向の片側に寄ったり、ガイド部
材73から外れたりすることが防止されている。なお、
この画像定着装置の他の構成は図3に示す画像定着装置
と同じである。
【0061】このような画像定着装置では、圧力付与部
材71と圧力部材76とが一体として支持されており、
圧力付与部材71による圧接部と、圧力部材76による
圧接部とが、加熱定着ロール61の周方向に近接してい
る。このため、図11に示すように、圧力付与部材71
と圧力部材76との間に圧接力の小さい部分が生じない
ようにニップ圧力分布を設計することが可能となり、よ
り効率的にトナー像のズレや乱れを防止することができ
る。
【0062】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1に記載の
発明によれば、ベルトニップにおいてエンドレスベルト
を加熱定着ロールに対してギャップが生じることなく押
さえ付けることが可能であり、これによってシートの繊
維間やトナー粒子間から膨張した空気や水蒸気が侵出し
てくるのを抑制することができる。このため、ベルトニ
ップ内での気泡の発生および成長を抑制でき、成長した
気泡によって未定着のトナーが攪乱されるのを防止する
ことができる。さらに、圧力付与部材でエンドレスベル
トと加熱定着ロールとの間の圧接力を大きな面積にわた
って与えることができるので、ベルトニップ間を通過す
るシート上のトナーをエンドレスベルトと加熱定着ロー
ルとで確実に押さえて定着させることが可能である。こ
のようにして、トナー像の乱れを防止しながら、トナー
像を定着させることができるため、定着した画像にニジ
ミやズレなどの乱れが生じるのを防止できる。特に、請
求項2に記載の発明のように、ベルトニップ内の圧力
nと、ベルトニップ内部の温度Tnと、環境温度Toと、
大気圧Poとの間に、PnPoTnTo−1)の
関係が成立するようにしたことによって、前記の効果を
さらに確実に達成することができる。
【0063】このような画像定着装置では、請求項3に
記載の発明のように、ベルトの張力によってエンドレス
ベルトを加熱定着ロールに押圧してもよいが、請求項4
に記載の発明のように、エンドレスベルトを無張力状態
で支持することも可能である。エンドレスベルトに張力
が働かなくなるようにすることにより、その張架手段が
不要となり、コストダウンが可能となる。
【0064】また、請求項8に記載の発明によれば、エ
ンドレスベルトが、圧力付与部材によって停止されず
に、加熱定着ロールの回転に追随して走行可能となる。
このため、例えば、加熱定着ロールのみが回転してシー
ト上のトナーが加熱定着ロールに擦られて画像が乱れて
しまうような不都合を抑制することが可能である。すな
わち、請求項5、請求項6又は請求項7に記載の発明の
ように圧力付与部材の圧接面の材質を適切に設定するこ
とにより、エンドレスベルトの走行速度を加熱定着ロー
ルの回転速度に一致させることが可能となり、上記のよ
うな効果をさらに確実にすることができる。
【0065】請求項9又は請求項10に記載の発明によ
れば、加圧部材によって加熱定着ロールとシートとの間
にズレを生じさせることができ、シートは容易に剥離さ
れて、いわゆるセルフストリッピングが可能となる。さ
らに、請求項11に記載の発明によれば、加圧部材が圧
力付与部材と一体に形成されているため、加圧部材と圧
力付与部材の間において低圧部分が生じないようなニッ
プ圧力分布の設計が可能となる。また、加圧部材や圧力
付与部材を非回転状態で配置することにより、熱損失が
少なく、ベルトニップの温度低下も減少し、トナーの定
着性を向上させることができる。
【0066】さらに、請求項12又は請求項13に記載
の発明によれば、画像乱れの生じない温度にトナーが加
熱されるまでの範囲を圧力付与部材で押圧するので、シ
ートがベルトニップの圧力付与部材で押圧されている部
分を抜け出した後のベルトニップ内の低圧の部分で、シ
ートやトナーからの空気や水蒸気が気泡となっても画像
の乱れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本願発明に係る第1の実施形態である画像定
着装置を示す概略構成図である。
【図2】 図1に示す画像定着装置のベルトニップ領域
に作用する圧力分布を示す図である。
【図3】 本願発明に係る第2の実施形態である画像定
着装置を示す概略構成図である。
【図4】 図3に示す画像定着装置のベルトニップ領域
に作用する圧力分布を示す図である。
【図5】 本願発明に係る第3の実施形態である画像定
着装置を示す概略構成図である。
【図6】 図5に示す画像定着装置のベルトニップ領域
に作用する圧力分布を示す図である。
【図7】 図5に示す画像定着装置におけるベルトニッ
プ内のトナーの温度及び粘性率を示すグラフである。
【図8】 図5に示す画像定着装置において、エンドレ
スベルトと加熱定着ロールとの間の摩擦係数μ1と、圧
力付与部材とエンドレスベルトとの間の摩擦係数μ2と
の差Δμを変更して、加熱定着ロールの回転にエンドレ
スベルトが追随して走行することができるか否かを調べ
た実験結果を示すグラフである。
【図9】 本願発明に係る第4の実施形態である画像定
着装置を示す概略構成図である。
【図10】 図9中に示すA−Aでの矢視図である。
【図11】 図9に示す画像定着装置のベルトニップ領
域に作用する圧力分布を示す図である。
【図12】 従来の画像定着装置の一例を示す概略構成
図である。
【図13】 従来の画像定着装置のベルトニップ領域に
作用する圧力分布を示す図である。
【図14】 従来の画像定着装置における定着温度と、
ベルトニップに生じるスペースとの関係を示すグラフで
ある。
【符号の説明】
1,21,41,61 加熱定着ロール、 5,25,45,65 ハロゲンランプ、 6,26,46,66 モータ、 7,27,47,67 シート、 8,28,48,68 未定着トナー像、 9,29,49,69 オイル供給装置、 10,30,50,70 温度センサ、 11,31,51,71 圧力付与部材、 12,13,14,53,54 支持ロール、 15,35,55,75 エンドレスベルト、 16,36,56,76 圧縮コイルスプリング、 32,72 支持部材、 33,73 ガイド部材、 34,74 突起部、 52 圧力ロール、 57 コイルスプリング、 76 加圧部材、 77 フランジ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−150679(JP,A) 特開 平6−308856(JP,A) 特開 平8−262903(JP,A) 実開 平3−92660(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G03G 15/20

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 表面付近に弾性体層を有し、回転可能
    に支持された加熱定着ロールと、前記加熱定着ロールの外周面に沿って湾曲するように接
    触し、 トナー像を担持した記録シートが前記加熱定着ロ
    ールとの間に挟み込まれるニップを形成するエンドレス
    ベルトと、 前記エンドレスベルトの内面側に当接され、前記加熱定
    着ロールの表面に沿って前記エンドレスベルトをほぼ均
    等な圧力分布で押圧するパッド状の圧力付与部材とを有
    し、 前記圧力付与部材の押圧面に作用する圧力は、前記加熱
    定着ロールと前記エンドレスベルトとの間に取り込まれ
    た気体の温度上昇による体積膨張を抑止する圧力以上に
    設定されていることを特徴とする画像定着装置。
  2. 【請求項2】 表面付近に弾性体層を有し、回転可能
    に支持された加熱定着ロールと、前記加熱定着ロールの外周面に沿って湾曲するように接
    触し、 トナー像を担持した記録シートが前記加熱定着ロ
    ールとの間に挟み込まれるニップを形成するエンドレス
    ベルトと、 前記エンドレスベルトの内面側に当接され、前記加熱定
    着ロールの表面に沿って前記エンドレスベルトをほぼ均
    等な圧力分布で押圧するパッド状の圧力付与部材とを有
    し、 前記圧力付与部材の押圧面に作用する圧力は、前記エン
    ドレスベルトを押圧することによるニップ内の圧力Pn
    と、前記加熱定着ロールの温度Tnと、大気圧Poと、環
    境温度Toとの間に、PnPo×(TnTo−1) の関係が成立するように設定されていることを特徴とす
    る画像定着装置。
  3. 【請求項3】 請求項1又は請求項2に記載の画像定
    着装置において、 前記エンドレスベルトは、複数のロールに張架されてい
    ることを特徴とする画像定着装置。
  4. 【請求項4】 請求項1又は請求項2に記載の画像定
    着装置において、 前記エンドレスベルトは、周方向に無張力状態で支持さ
    れていることを特徴とする画像定着装置。
  5. 【請求項5】 請求項1又は請求項2に記載の画像定
    着装置において、 前記圧力付与部材の圧接面は、耐熱性を有する材料から
    なり、ほぼ全面に微小な凹凸が形成されていることを特
    徴とする画像定着装置。
  6. 【請求項6】 請求項1又は請求項2に記載の画像定
    着装置において、 前記圧力付与部材の圧接面は、耐熱性の繊維からなる布
    に耐熱性樹脂を含浸させた部材で形成されていることを
    特徴とする画像定着装置。
  7. 【請求項7】 請求項6に記載の画像定着装置におい
    て、 前記繊維は、ガラス繊維であり、前記耐熱性樹脂は、フ
    ッ素樹脂であることを特徴とする画像定着装置。
  8. 【請求項8】 請求項1又は請求項2に記載の画像定
    着装置において、 前記加熱定着ロールと前記エンドレスベルトとの間の摩
    擦係数μ1 よりも、前記圧力付与部材と前記エンドレス
    ベルトとの間の摩擦係数μ2 が小さくなっていることを
    特徴とする画像定着装置。
  9. 【請求項9】 請求項1又は請求項2に記載の画像定
    着装置において、 前記エンドレスベルトの内側に配設され、前記加熱定着
    ロールの回転方向における前記圧力付与部材の圧接位置
    より下流側で前記エンドレスベルトを前記加熱定着ロー
    ルに押圧し、該加熱定着ロールの前記弾性体層に変形を
    生じさせる加圧部材を有することを特徴とする画像定着
    装置。
  10. 【請求項10】 請求項9に記載の画像定着装置にお
    いて、 前記加圧部材は回転可能に支持されたロールであり、 前記エンドレスベルトは、該ロールと少なくとも一つの
    支持ロールとに張架されていることを特徴とする画像定
    着装置。
  11. 【請求項11】 請求項9に記載の画像定着装置にお
    いて、 前記 加圧部材が前記加熱定着ロールに圧接される範囲
    と、前記圧力付与部材が前記加熱定着ロールに圧接され
    る範囲とが、前記加熱定着ロールの周方向に近接して設
    けられていることを特徴とする画像定着装置。
  12. 【請求項12】 請求項9に記載の画像定着装置にお
    いて、 前記圧力付与部材の圧接される周方向の範囲は、前記エ
    ンドレスベルトが前記加熱定着ロールと当接された位置
    から、トナーの粘性がガラス状からゴム状流動を生じる
    状態へ転移する温度に加熱される位置までに設定されて
    いることを特徴とする画像定着装置。
  13. 【請求項13】 請求項9に記載の画像定着装置にお
    いて、 前記圧力付与部材の圧接される周方向の範囲は、前記エ
    ンドレスベルトが前記加熱定着ロールに圧接されてから
    離れるまでの周方向長さの1/2以上であることを特徴
    とする画像定着装置。
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