JP4204394B2 - 定着装置および該定着装置を有する画像形成装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、記録媒体上のトナーよりなる画像を定着する定着装置および該定着装置を有する電子写真方式の複写機、レーザービームプリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、記録媒体および未定着トナーに熱および圧力を与えて永久定着させるための方法としては、幅の狭いニップ部で高い面圧を与えて定着させる方法と、幅の広いニップ部で低い面圧を与えて定着させる方法とがあった。
【０００３】
上記定着方法のうちの前者では、ニップ部を形成するための例えば一対の回転体がその高面圧に耐えられるようにするために回転体自身の剛性を高める必要性があり、その手段としては回転体の肉厚を厚くするなどの方法があった。しかし、この方法では回転体自身の熱容量が高くなってしまうために回転体を所定温度まで高めるのに時間を要し、朝一での立ち上がり時間が遅くなるという不具合があった。
【０００４】
一方、上記定着方法のうちの後者ではニップ部にかかる面圧が低いために前者のような不具合がなく，低面圧であるが故に未定着トナー画像を潰さずに記録媒体に定着させることができるため、高面圧定着方法よりもより高画質の画像を得られるといったメリットもある。しかし、ニップ部の幅を広くした低面圧での定着方法においても次に記述するような不具合がある。
【０００５】
幅広のニップ部を形成するための構成としては、定着ベルト（定着フィルム）を使用する方法が挙げられるが、定着ベルトを有する定着装置および画像形成装置におけるニップ部構成としては、定着ベルトを加熱するための加熱手段として固定支持された被加熱体を設け、その被加熱体から定着ベルトを介して記録媒体上の未定着トナーを加熱する。この未定着トナーへの熱伝達を高めるためには、その被加熱体に定着ベルトを圧接させるべく、シリコンゴム等の弾性層を有した回転体型の加圧部材や，平面板上にシリコンゴム等の弾性層を有した加圧部材をベルト対向側に設けることが挙げられる。
【０００６】
この構成により、定着ベルトが被加熱体に圧接されて記録媒体および未定着のトナーに対して長時間熱を与えることのできる幅広ニップ部を形成することが可能となる。しかし、かかる構成であると、上記被加熱体と上記加圧部材とが接触する面積(伝熱面積)が多くなってしまうために、両者間が低面圧であっても被加熱体からこの加圧部材への伝熱量が増え、結果として定着装置における消費電力量が高くなってしまうという不具合があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この不具合に対する対策としては、加圧部材を用いずに定着ベルトを被加熱体に圧接させるため、被加熱体が定着ベルトを介して未定着画像と接する面をベルト走行方向(記録媒体の搬送方向)に対して凸型の曲面とし、その曲面に二つのベルトを密着させるようにして両ベルトを走行させ、そのベルト間に記録媒体を挟持搬送させることが考えられる。しかし、ベルト走行方向に凸型曲面を設けると、ベルトに張力を与えてその曲面に沿わせようと試みても、この曲面上においてベルトに縦スジ状の小さなシワが入り、部分的にベルトが曲面から浮き上がって縦スジ状のシワが発生し、ニップ部においてベルト幅方向全面に均一に熱を与えることが困難であった。さらに、固定支持された被加熱体では、温度の低いベルトおよび記録媒体がニップ部に進入してきた際、その被加熱体の最先端部において記録媒体および未定着トナーに与える熱量が高いことが原因となって被加熱体先端部での温度落ち込みが発生し、結果として記録媒体および未定着トナーに十分な熱を与えられなくなるという問題が生じてしまう。
【０００８】
本発明は、定着帯状体を低面圧で接しさせても記録媒体および未定着トナーに十分な熱を与えられる定着装置および該定着装置を有する画像形成装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、加熱ローラと出口ローラとに巻き掛けられた定着ベルトと、加圧ローラと加圧出口ローラとに巻き掛けられ、前記定着ベルトと互いの走行辺が接するベルトと、前記定着ベルトを加熱する加熱手段とを有し、前記定着ベルトと前記ベルト間に未定着画像を担持した記録媒体を通すことにより未定着画像を熱および圧力によって記録媒体に定着する定着装置において、前記定着ベルトのループ内に、当該定着ベルトを前記ベルトに当接させる位置固定の支持体を設け、該支持体の前記定着ベルトと接する面の形状が該定着ベルトの走行方向と直交する方向に対して凸型の曲面をなすとともに、定着ベルトの走行方向に対しても凸型の曲面をなし、前記定着ベルトへの前記ベルトの接触圧が当該ベルトに設けたテンションローラによる張力によって与えられることを特徴とする定着装置を提案する。
【００１０】
なお、本発明は、前記加熱手段の一つが、前記加熱ローラに設けられ、他の一つが前記支持体上に設けられていると、効果的である。
【００１８】
また、本発明の他の目的を達成するため、本発明の画像形成装置において、記録媒体上にトナーよりなる画像を形成する作像手段と、該作像手段によって記録媒体上に形成されたトナー画像を定着する請求項１または２に記載の定着装置とを有することを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態例を図面に従って詳細に説明する。
図１は、画像形成装置の一例であるカラープリンタを示す概略図である。ここに示した画像形成装置は、記録媒体上にトナー像を形成する作像手段１と、そのトナー像を記録媒体上に定着する定着装置２とを有している。先ず作像手段１の概略について説明する。
【００２０】
図１に示した作像手段１は、ドラム状の感光体として構成された第１ないし第４の像担持体３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ，３ＢＫを有し、その各像担持体上にイエロートナー像、マゼンタトナー像、シアントナー像及びブラックトナー像がそれぞれ形成される。第１ないし第４の像担持体３Ｙ〜３ＢＫに対向して転写ベルト４が配置され、この転写ベルト４は、駆動ローラ５と従動ローラ６に巻き掛けられて矢印Ａ方向に走行駆動される。
【００２１】
第１ないし第４の各像担持体上にトナー像を形成する構成と、その作用は実質的に全て同一であるため、第１の像担持体３Ｙにトナー像を形成する構成だけを説明する。この像担持体３Ｙは図１における時計方向に回転駆動され、このとき帯電ローラ７によって像担持体表面が所定の極性に均一に帯電される。次いでその帯電面に、レーザ書き込みユニット８から出射する光変調されたレーザビームＬが照射される。これによって像担持体３Ｙ上に静電潜像が形成され、その静電潜像が現像装置９によってイエロートナー像として可視像化される。
【００２２】
一方、図示していない給紙部から、例えば転写紙より成る記録媒体Ｐが給送され、その記録媒体Ｐが、像担持体３Ｙと転写ベルト４の間に送り込まれ、転写ベルト４に担持されて搬送される。転写ベルト４を挟んで、像担持体３Ｙにほぼ対向する位置には転写ローラ１０が配置され、その転写ローラ１０に対し、像担持体３Ｙ上のトナーと逆極性の電圧が印加され、これによって像担持体３Ｙ上のイエロートナー像が記録媒体Ｐ上に転写される。記録媒体Ｐに転写されず、像担持体３Ｙ上に残された転写残トナーは、クリーニング装置３０によって除去される。
【００２３】
全く同様にして、第２乃至第４の像担持体３Ｍ，３Ｃ，３ＢＫ上にマゼンタトナー像、シアントナー像及びブラックトナー像がそれぞれ形成され、これらのトナー像が、イエロートナー像の転写された記録媒体Ｐ上に順次重ね合されて転写される。
【００２４】
上述のようにして４色のトナー像が形成された記録媒体Ｐは、定着装置２を通過し、このときそのトナー像が記録媒体Ｐ上に定着される。定着装置２を通過した記録媒体は、図示していない排紙トレイ上に排出される。このように、図１に例示した画像形成装置は、定着装置２と、その定着装置２により定着されるトナー像を記録媒体Ｐ上に形成する作像手段１を具備している。
【００２５】
図２は定着装置２の拡大図であり、ここに示した定着装置２は、加熱ローラ１１、出口ローラ１２、加圧手段としての加圧ローラ１３および加圧出口ローラ１４を有し、加熱ローラ１１と出口ローラ１２には無端状の定着帯状体としての定着ベルト１５が巻き掛けられている。さらに、加圧ローラ１３と加圧出口ローラ１４には定着帯状体としてのベルト１６が巻き掛けられている。加熱ローラ１１は、熱伝導性の高い材料、例えばアルミニウム、ステンレス鋼、鉄などの金属やこれらの材料を含んだ合金より成る薄肉円筒体により構成され、その表面には対摩耗性を高めるために、ＰＦＡやＰＩＦＥなどのフッ素樹脂をコーティングしてもよい。また、定着ベルト１４およびベルト１６は、ベルト基材がニッケルやステンレス鋼などの金属、またはポリイミドなどの樹脂によりなり、その表面にはトナー離型性向上のため、ＰＦＡやＰＩＦＥなどのフッ素樹脂のコーティングを施したり、ＰＦＡやＰＩＦＥなどのフッ素系物質のチューブを被せたりした複数層により構成されている。なお、定着帯状体は定着ベルトの代わりに定着フィルムをもちいてもよい。
【００２６】
加熱ローラ１１、出口ローラ１２、加圧ローラ１３および加圧出口ローラ１４は定着装置の図示していないフレームに回転自在に支持され、加熱ローラ１２と加圧ローラ１３が、図示していない駆動装置によって、矢印で示した方向にそれぞれ回転駆動され、これによって定着ベルト１５およびベルト１６は矢印Ｂ方向に走行駆動されると共に、出口ローラ１２および加圧出口ローラ１４が矢印方向に従動回転する。また、加熱ローラ１１内には発熱手段２０が設けられており、この発熱手段２０はハロゲンヒータや抵抗発熱体、さらには誘導加熱方式を用いることもできる。さらに、発熱手段２０の設置場所としては図２に示すように加熱ローラ１１の内部のみにとどまらず、外部に設置して加熱させる方法も挙げられる。また、加熱ローラ１１についても図２に示すようなローラ形状のもの以外に、非回転体形状のものを用いることができる。しかし、加熱ローラ１１のようにローラ形状のほうが装置の駆動トルク・駆動電力低減のためにも望ましい。
【００２７】
定着ベルト１５のループ内には、ベルト１６と対向する走行辺に接するように、支持体１７が位置固定に設けられ、この支持体１７は発熱体１８によって加熱される被加熱体として構成され、支持体１７の熱が定着ベルト１５を介して未定着トナーに伝えられる。したがって、支持体１７は熱伝導性の高い材料より構成することが好ましく、例えば、アルミニウム、ジュラルミン、銅もしくはこれらを使用した合金から作られている。また、発熱体１８は支持体１７上もしくはこれに近接して配置した抵抗発熱体などであるが、支持体自体が発熱する誘導加熱方式を用いることもできる。
【００２８】
このように構成された定着装置２は、作像手段１から未定着トナー像を担持した記録媒体Ｐが送られてくると、定着ベルト１５とベルト１６のニップ部に挟持され、出口ローラ１２まで搬送されると、定着ベルト１５から分離される。この定着装置２において、ニップ部通過時に支持体１７を介した発熱体１８の熱を効率よく伝えるため、記録媒体を定着ベルト１５に適度な圧を持って接触させねばならない。しかし、定着ベルト１５とニップ部を形成する部材も熱容量を小さくするためベルト１６で構成されており、定着ベルト１５にベルト１６を押しつけてもニップ部での適度な圧が得られない。
【００２９】
そこで、本例の定着装置２は、図３に示すように、支持体１７の定着ベルト１５に接触する面における形状を、その定着ベルト１５の走行方向、すなわち記録媒体搬送方向と直交する方向に対し凸型の曲面になるように形成している。位置固定の支持体１７のベルト対向面を凸型の曲面にすることで、定着ベルト１５に当接するように配置したベルト１６が適度な圧をもって定着ベルト１５に接することができる。なお、定着ベルト１５およびベルト１６はそのベルト自体に緩みが生ずると所望の圧が得られにくいので、それぞれテンションローラ２１，２２によって張力が与えられる。これによって両ベルトを支持体１７の曲面に密着させることができるとともに、テンションローラ２２がベルト１６に与える張力によって支持体１７への圧力、すなわち図における上向きの力が決まる。
【００３０】
さらに、図２に示す実施形態において、支持体１７は定着ベルト１５の走行方向に対しても凸型の曲面になるように形成しており、かかる支持体１７の面形状により、より確実に密着することができる。
【００３１】
このようにして、一対のベルトによって形成されるニップ部に記録媒体Ｐを通過させる形式の定着装置において、ニップ部にて加圧側のベルト１６を定着ベルト１５に押しつける加圧手段を設けずとも、ベルト１６を定着ベルト１５に密着させることができる。したがって、熱容量のある加圧手段を用いないので、熱の逃げが軽減され、熱効率がよくなり消費電力を抑えることができる。なお、支持体１７が定着ベルト１５と直接接触する凸型曲面の曲率としては半径２０ｍｍ以上５００ｍｍ以下が最も望ましい。半径２０ｍｍよりも小さい場合には、その曲率が小さいことが原因となり、ニップ部において定着ベルト１５ともう一方のベルト１６との間に線速差が生まれ、記録媒体Ｐ上に形成された未定着トナーの画像がズレてしまう不具合が生じる。また、曲面の曲率を半径５００ｍｍ以上にした場合にはその曲率が大きいことが原因となり、定着ベルト１５およびもう一方のベルト１６を支持体１７に十分密着させるためには非常に高いベルトテンションが必要になってしまい、そのような強いテンションに対して両ベルトの引っ張り強度が不十分である。
【００３２】
ところで、上記した定着装置２において、記録媒体Ｐが定着ベルト１５とベルト１６のニップ部に進入すると、支持体１７および定着ベルト１５の温度落ち込みが生じて定着性が劣化することがある。
【００３３】
かかる問題に対して、本例の定着装置２はニップ部の上流側にある加熱ローラ１１の発熱手段２０によって定着ベルト１５が予め加熱されているため、温度の低い記録媒体がニップ部に進入しても温度の低下を緩和し、定着性の向上して良好な画像が得られる。
【００３４】
また、図２に示す定着装置において、ニップ部の入口である加圧ローラ１３は支持体１７の記録媒体搬送方向最上流側に圧接させて配置している。この加圧ローラ１３の構成としては、金属製の芯金の上にシリコンゴム等の弾性層のみを設けたものや、その弾性層のさらに表層にトナー離型性の高い物質であるＰＦＡあるいはＰＴＦＥ等のフッ素系のコーティングを施したものやあるいはこれらフッ素系のチューブを被せたものが挙げられる。この加圧ローラ１３による面圧としては、ニップ部においてベルト１６が定着ベルト１５に対して与える面圧よりも高いことが望ましい。
【００３５】
このように支持体１７のニップ部最先端位置(最上流位置)の対向部に加圧ローラ１３を設けることにより、ニップ最先端部において記録媒体Ｐおよび未定着トナーに圧力を与えることができるので、その圧力により未定着トナー間の空隙を減少させて被加熱体および定着ベルトからトナーへの熱伝達効率を高めることができ、定着性の向上および良好な画像を得ることができる。さらに、加圧ローラ１３の代わりに加圧する適宜部材を設けることもできるが、本例のように、加圧部材がロール形状であれば、ベルト走行時における両者間の摩擦係数を低くすることができ定着装置２の駆動トルクを低くなるので、装置駆動のための消費電力量を低減させることができる。
【００３６】
図４は、本発明に係る定着装置の他の実施形態を示す概略図である。
図４では、上記実施形態と同様に凸型曲面の支持体１７のベルト走行方向最上流位置(最先端位置)に加圧手段としての加圧ローラ１３が設けられているが、その加圧ローラ１３に発熱手段２３を設置している。この発熱手段２３としては、ハロゲンヒータや抵抗発熱体や磁性体を用いた発熱方法が挙げられる。また、誘導加熱方法も採用することもできる。なお、発熱手段２３の設置場所としては図４にあるように加圧ローラ１３の内部のみにとどまらず，外部に設置して加熱させる方法も挙げられる。
【００３７】
このように、加圧ローラ１３を発熱手段２３よって加熱することにより、まだ温度の低い記録媒体Ｐがニップ最先端部に進入してきた際にも、記録媒体Ｐの両面から温度を与えることができるので、画像面における温度落ち込みを緩和させることができ、結果として良好な画像が得られるので、ニップ部の入口にある加圧ローラ１３に発熱手段２３を設けることはより望ましい。
【００３８】
この加圧ローラ１３の構成としては、上記実施形態と同様であるが、繰り返し述べれば、金属製の芯金の上にシリコンゴム等の弾性層のみを設けたものや、その弾性層のさらに表層にトナー離型性の高い物質であるＰＦＡあるいはＰＴＦＥ等のフッ素系のコーティングを施したものやあるいはこれらフッ素系のチューブを被せたものが挙げられる。この加圧ローラ１３による面圧も、ニップ部においてベルト（４）が定着ベルト（３）に対して与える面圧よりも高いことが望ましい。
【００３９】
ところで、支持体１７のベルト走行方向最上流位置(最先端位置)に設ける加圧手段としての加圧ローラ１３は図３に示すように、長手方向にツヅミ形状をなして、支持体１７が定着ベルト１５と接している側にある凸型曲面に沿った形（凹型になる）に形成されている。加圧ローラ１３のツヅミ形状における凹型曲面(凹型曲線)の曲率と支持体１７の凸型曲面の曲率は必ずしも一致させる必要性がなく、両者の形状が凸と凹となることで、長手方向の中央部と端部との間の面圧の偏差を少なくすることができる。また、両者の形状を凸と凹とすることで長手方向中央部と端部とのニップ幅（ここでは被加熱体と加圧部材が接触する部分のみのニップ部にあたる）の差を同等とすることができるため、記録媒体Ｐに与える面圧を中央部と端部でほぼ等しくすることができ、中央部と端部の画像品質を同等にすることが可能になる。
【００４０】
図５は、本発明に係る定着装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
図５において、支持体１７を介して定着ベルト１５を加熱する発熱体１８が記録媒体Ｐの搬送方向に対して複数個に分割されている。そして、分割した個々の発熱体をそれぞれ独立して制御するように構成すれば、幅の広いニップ部を形成する支持体長さの温度分布(記録媒体搬送方向に対する)をより細かく制御することができる。この複数個に分割された発熱体１８としては、ハロゲンヒータだけにとどまらず、抵抗発熱体や磁性体を用いた発熱方法が挙げられる．また誘導加熱方法も採用することもできる。さらに、複数分割されたそれぞれの発熱体１８は同一形状・同一特性のものを使用すれば部品種が削減できるためコスト低減につながる。逆に、それぞれが異形状・異特性のものを使用すれば、支持体１７をより様々な温度で制御することができる。
【００４１】
図６は、本発明に係る定着装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
図６において、支持体１７を加熱するための発熱体１８が記録媒体搬送方向（ベルト走行方向）に対して支持体１７の中央部よりも上流側（前寄り）に設置されている。このように発熱体１８の設置位置を変えることで、温度落ち込みの最も激しい支持体１７先端部により多くの熱量を供給することができる。なお、図６にあるように支持体１７と発熱体１８が必ずしも接触していなければならないということはなく、発熱体１８としては先に述べたようにハロゲンヒータや抵抗発熱体や磁性体を用いたものが挙げられ、また誘導加熱方式を用いてもよい。また、この発熱体１８は一つに限らず，複数個設置してもよく、複数個設けると支持体１７の温度をより高精度に制御できる。
【００４２】
図７は、本発明に係る定着装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
図７において、支持体１７を加熱するための発熱体１８を制御するための温度検知素子２４が通紙時に温度落ち込みの最も激しい支持体１７の最上流部に設置している。温度検知素子２４の設置位置としては、できるだけ定着ベルト１５に近い方がより高精度かつ高応答で温度検知するために望ましいので、温度検知素子２４を設置する部分の支持体１７の厚さを薄くする方法や、設置箇所のみに溝を設けてそこに温度検知素子２４を落とし込んで設置させる方法などが挙げられる。また、発熱体１８の設置数としては図７にあるような一つのみに限らず、複数個設けて各々を独立制御することによって高精度な制御が得られる。
【００４３】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態のみに限定されず、各種改変できるものである。
例えば、上記実施形態では支持体１７を加熱して定着ベルト１５を加熱しているが、特開２００１−２４２７３２号や特開２００１−１３８０５号に記載されているように誘導加熱方式を用いて定着ベルトを加熱するようにしてもよい。
【００４４】
また、上記した実施形態の加熱源への電力供給は商用電源から行われているが、補助電源を設け、当該補助電源から電力供給することも可能である。補助電源としては特開２０００−３１５５６７号や特開２００２−１７４９８８号に開示されているような電気２重層コンデンサ（電気化学キャパシタ）を利用するのが好ましい。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、簡単な構成で支持体に定着帯状体を密着することができ、支持体から定着帯状体への熱伝達効率を高めて定着性向上および良好な画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る画像形成装置を示す概略図である。
【図２】本発明の定着装置の一実施形態を示す拡大説明図である。
【図３】図２の矢印Ａ方向から見た説明図である。
【図４】本発明の定着装置の他の実施形態を示す説明図である。
【図５】本発明の定着装置のさらに他の実施形態を示す説明図である。
【図６】本発明の定着装置のさらに他の実施形態を示す説明図である。
【図７】本発明の定着装置のさらに他の実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
２ 定着装置
１１ 加熱ローラ
１３ 加圧ローラ
１５ 定着ベルト
１６ ベルト
１７ 支持体
１８ 発熱体
２０ 発熱手段
２３ 発熱手段
２４ 温度検知素子
Ｐ 記録媒体

Claims (3)

1. 加熱ローラと出口ローラとに巻き掛けられた定着ベルトと、加圧ローラと加圧出口ローラとに巻き掛けられ、前記定着ベルトと互いの走行辺が接するベルトと、前記定着ベルトを加熱する加熱手段とを有し、前記定着ベルトと前記ベルト間に未定着画像を担持した記録媒体を通すことにより未定着画像を熱および圧力によって記録媒体に定着する定着装置において、
   前記定着ベルトのループ内に、当該定着ベルトを前記ベルトに当接させる位置固定の支持体を設け、
   該支持体の前記定着ベルトと接する面の形状が該定着ベルトの走行方向と直交する方向に対して凸型の曲面をなすとともに、定着ベルトの走行方向に対しても凸型の曲面をなし、
   前記定着ベルトへの前記ベルトの接触圧が当該ベルトに設けたテンションローラによる張力によって与えられることを特徴とする定着装置。
2. 前記加熱手段の一つが、前記加熱ローラに設けられ、他の一つが前記支持体上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 記録媒体上にトナーよりなる画像を形成する作像手段と、該作像手段によって記録媒体上に形成されたトナー画像を定着する請求項１または２に記載の定着装置とを有することを特徴とする画像形成装置。

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