JP4251230B2 - 定着装置および画像形成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、プリンタ、複写機、ファクシミリ、またはそれらの機能を複合的に備えた複合機等の画像形成装置、及び画像形成装置に用いる定着装置に関する。
電子写真方式の画像形成装置では、画像担持体であるシートの上に担持された現像剤をそれに熱と圧力を加えてシートに定着する。そのために、従来、画像形成装置に組み込まれた定着装置においてシートと現像剤を加熱する加熱手段として、ソリッドゴム等からなるローラが使用されている。しかし、最近では、ローラに比べて熱容量が小さく短時間で昇温ができ、この結果、ウォームアップ時間を短縮できる、熱効率に優れた定着ベルトを用いるベルト式定着装置が用いられるようになってきた。
ベルト式定着装置の一例が特許文献1に開示されている。ここで、特許文献1に開示されたベルト式定着装置は、無端状の定着ベルトと、定着ベルトの内側にあって定着ベルトを支持する定着ローラ及び加熱ローラと、定着ローラの外側にあって定着ローラと共に定着ベルトを挟持する加圧ローラを有する。定着ローラと加圧ローラの長手方向の長さは同一に設計されている。加熱ローラと加圧ローラには加熱源(ハロゲンランプ)が内蔵されている。したがって、定着時、加熱ローラと加圧ローラの加熱源に電力が供給され、該加熱源によって加熱された加熱ローラと加圧ローラから供給される熱によって、定着ベルトと加圧ローラとの間に供給されるシート及び現像剤が加熱され、現像剤がシートに定着される。
このようなベルト式定着装置に利用される定着ローラや加圧ローラなどのローラの外周面は弾性層で被覆されている。弾性層は、優れた変形能を有することから、定着ベルトと加圧ローラとの間に大きな接触領域(ニップ部、ニップ領域)を形成する。これにより、高速でシートを搬送しても十分な定着時間を確保できる。また、定着ローラの弾性層は軟質に設定され、加圧ローラの弾性層は定着ローラのものよりも硬質に設定されて、ニップ部は定着ローラに向かって凸状に湾曲して形成される。これにより、ニップ部から排出されるシートの先端が定着ベルトから離れる方向に向けられて、シートを定着ベルトから容易に分離させることができる。
特開2006−189690
ところが、上述のように硬質加圧ローラと軟質定着ローラを備えたベルト式定着装置において、金属層を含む積層構造のベルトを使用した場合、硬質加圧ローラと軟質定着ローラの当たり具合によってはベルトに過度のストレスを与えるおそれがある。例えば、定着ローラの外周部の軟質な弾性層が長手方向に膨出して、ベルトの縁部が加圧ローラに向けて折り曲げられる。その結果、シートの両側端部では、現像剤の定着が不十分であったり、定着前の現像剤が端部に向かって外側に移動して画像の乱れを生じる。特にフルカラーの画像形成装置では、シートに複数の色の現像剤が積層されていることから、画像に乱れを生じることが多い。また、定着ベルトが金属層(電磁誘導発熱層)を含む場合、この金属層に過度の曲げ応力が生じて割れを発生することがある。
そこで、本発明の課題は、ベルト式の定着装置であって、ベルトに過度のストレスを与えることが無く、上述した画像の乱れや金属層の破壊といった問題を未然に解消できる定着装置を提供することにある。
また、本発明の課題は、そのような定着装置を備えた画像形成装置を提供することにある。
の局面では、本発明の定着装置は、
円筒形状の定着ローラと
上記定着ローラの表面硬度より高い表面硬度を有する円筒形状の加圧ローラと
上記定着ローラの外周に設置された定着ベルトを含み
上記定着ローラと上記加圧ローラとは、上記定着ベルトを介し圧接され、上記加圧ローラと上記定着ベルトにより形成されたニップ部を、表面にトナー像を有するシートが通過し、トナー粒子が上記シートに定着される定着装置において
上記定着ローラの外周部が樹脂またはゴムの発泡体を弾性層として含み、
上記定着ローラの上記弾性層の外周部の長手方向の長さが、上記加圧ローラの外周部の長手方向の長さより短く、
上記定着ローラの上記弾性層は、上記長手方向に関してシート通過領域以外の両端部領域に、外径寸法が上記長手方向に関して外側へ向かって連続的に減少している傾斜部と、上記傾斜部の外側に連なって、外径寸法が一定である平坦部とを有することを特徴とする
本明細書で、「連続的に減少」とは、上記長手方向に関して外側へ向かって徐々に減少するという意味であり、上記長手方向に対して垂直な段差をもって減少する場合を除く意味である。
本発明の定着装置によれば、定着ローラと加圧ローラとが定着ベルトを介し圧接されて、定着ローラの外周部が長手方向に関して膨らんだ状態にあっても、定着ローラの膨らんだ外周部の端部を加圧ローラの外周部の端部とほぼ同じ位置に揃えることが可能になる。これにより、定着ベルトに過度のストレスを与えることが無くなり、上述した画像の乱れや金属層の破壊といった問題が解消される。
また、この定着装置では、上記定着ローラの上記弾性層は、長手方向に関してシート通過領域以外の端部領域に、上記傾斜部と上記平坦部とが形成する凹部を有することとなる。この場合、上記弾性層の外側端面(上記長手方向に関して外側の端面)の外径寸法を容易に或る程度確保できる。したがって、上記定着ベルトの蛇行を防止するための蛇行規制部材を、上記弾性層の外側端面に当接して容易に位置決めすることができる。これにより、上記定着ベルトの蛇行を有効に防止できる。
さらに第の局面では、本発明の定着装置は、
円筒形状の定着ローラと
上記定着ローラの表面硬度より高い表面硬度を有する円筒形状の加圧ローラと
上記定着ローラと支持ローラとの間に張架された定着ベルトを含み
上記定着ローラと上記加圧ローラとは、上記定着ベルトを介し圧接され、上記加圧ローラと上記定着ベルトにより形成されたニップ部を、表面にトナー像を有するシートが通過し、トナー粒子が上記シートに定着される定着装置において
上記定着ローラの外周部が樹脂またはゴムの発泡体を弾性層として含み、
上記定着ローラの上記弾性層の外周部の長手方向の長さが、上記加圧ローラの外周部の長手方向の長さより短く、
上記定着ローラの上記弾性層は、上記長手方向に関してシート通過領域以外の両端部領域に、外径寸法が上記長手方向に関して外側へ向かって連続的に減少している傾斜部と、上記傾斜部の外側に連なって、外径寸法が一定である平坦部とを有することを特徴とする
本発明の定着装置によれば、第の局面におけるのと同様に、定着ローラと加圧ローラとが定着ベルトを介し圧接されて、定着ローラの外周部が長手方向に関して膨らんだ状態にあっても、定着ローラの膨らんだ外周部の端部を加圧ローラの外周部の端部とほぼ同じ位置に揃えることが可能になる。これにより、定着ベルトに過度のストレスを与えることが無くなり、上述した画像の乱れや金属層の破壊といった問題が解消される。
また、この定着装置では、上記定着ローラの上記弾性層は、長手方向に関してシート通過領域以外の端部領域に、上記傾斜部と上記平坦部とが形成する凹部を有することとなる。この場合、上記弾性層の外側端面(上記長手方向に関して外側の端面)の外径寸法を容易に或る程度確保できる。したがって、上記定着ベルトの蛇行を防止するための蛇行規制部材を、上記弾性層の外側端面に当接して容易に位置決めすることができる。これにより、上記定着ベルトの蛇行を有効に防止できる。
一実施形態の定着装置では、上記定着ローラの中心軸を含み上記長手方向に平行な断面で、上記シート通過領域における上記弾性層の外周面に対して上記傾斜部は20°以上かつ65°以下の角度で屈曲していることを特徴とする。
この一実施形態の定着装置では、上記定着ローラの中心軸を含み上記長手方向に平行な断面で、上記シート通過領域における上記弾性層の外周面に対して上記傾斜部は20°以上の角度で屈曲しているので、上記凹部の長さを抑えながら上記凹部の高さ(空間)を容易に確保できる。一方、上記シート通過領域における上記弾性層の外周面に対して、上記傾斜部は65°以下の角度で屈曲している。したがって、定着ローラと加圧ローラとが定着ベルトを介し圧接された状態で、例えば上記シート通過領域における上記弾性層の外周面に対して上記傾斜部が90°の角度で屈曲している場合に比して、上記弾性層のうち上記傾斜部およびその近傍部分に加わる剪断応力が緩和される。したがって、上記弾性層が長時間の駆動に耐えられるようになり、信頼性が向上する。
一実施形態の定着装置では、上記定着ローラの中心軸を含み上記長手方向に平行な断面で、上記弾性層の上記平坦部の外周面に対して上記弾性層の上記傾斜部は0°を超えかつ65°以下の角度で屈曲し、又は湾曲して立ち上がっていることを特徴とする。
この一実施形態の定着装置では、上記弾性層の上記平坦部の外周面に対して上記弾性層の上記傾斜部は0°を超えかつ65°以下の角度で屈曲し、又は湾曲して立ち上がっているので、上記弾性層のうち上記傾斜部およびその近傍部分に加わる剪断応力が緩和される。したがって、上記弾性層が長時間の駆動に耐えられるようになり、信頼性が向上する。
一実施形態の定着装置では、上記定着ローラの中心軸を含み上記長手方向に平行な断面で、上記弾性層の上記傾斜部は直線をなしていることを特徴とする。
この一実施形態の定着装置では、上記弾性層の上記傾斜部は直線をなしているので、上記弾性層の加工および寸法管理が容易になる。
さらに第の局面では、本発明は、第または第の局面の定着装置を含むことを特徴とする画像形成装置である。
本発明の画像形成装置では、上記定着装置を用いることで、トナー粒子層の厚さが厚くてもシート端部での定着不足の発生が低減され、また、ローラの長手方向に関してシートに付与される押圧力のばらつきが低減される。このため全体に一様でかつ鮮明な画像を得ることができる。また、シート端部に湾曲等の変形が少なくなる。
以下、添付図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語(例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及びそれらの用語を含む別の用語)を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。また、複数の図面に表れる同一符号の部分は同一の部分又は部材を示す。
〔実施形態1〕
図1は、全体が符号101で表される本発明の実施形態1にかかる、電子写真式画像形成装置(例えば、複写機、プリンタ、ファクシミリ、複合機)の定着装置の側面図である。図2は、図1のII−II方向より見た定着装置の断面図である。図2の断面は、後述する2つのローラ100,300の中心軸(図示せず)を面内に含んでいる。
図面を参照すると、定着装置101は、第1のローラとしての加熱ローラ100と、加熱ローラ100と平行に配置された第2のローラとしての加圧ローラ300を有する。加熱ローラ100は、加熱ローラ100の外径と同一又はほぼ同一若しくは加熱ローラ100の外径よりも僅かに大きな内径を有する円筒状の定着ベルト200が外装されており、加熱ローラ100と加圧ローラ300が定着ベルト200を介して圧接している。
定着ローラ100は芯金110を有する。芯金110は、中空又は中実の円筒体からなり、図示しない軸受を介して画像形成装置の本体に回転自在に支持されている。本実施形態では、芯金110に、例えば、外径20mm厚さ4mmのアルミニウム製のパイプを用いている。芯金110に用いる材料は、使用中に定着ローラが過度に撓まない強度を有していればよく、アルミニウム以外に、例えば鋼や、ステンレス、PPS(ポリフェニレンサルファイド)等の樹脂モールドのパイプでもよい。後に説明するように、定着ベルト200の加熱に電磁誘導加熱方式を採用する場合、電磁誘導波により芯金110が加熱されるのを防止するため、芯金110は非磁性材料で形成することが好ましい。
芯金110の外周は両端側の一部を除き(図2参照)、断熱性を有する弾性層120で覆われている。この例では、弾性層120が定着ローラ110の外周部を構成している。弾性層120は、現像剤であるトナー粒子を加熱するために所定の温度まで昇温された定着ベルト200の熱が定着ローラ100を通じて拡散しないように、断熱性を有する材料が用いられる。図1に示すように、弾性層120は、定着ベルト200とこれに圧接する加圧ローラ300との間に、周方向に所定の長さを有する接触領域のニップ部(以下、「ニップ領域」という。)を形成するために、加圧ローラ300よりも硬度が低く、圧力が加えられたときに圧縮変形し易い材料で形成することが望ましい。
このような耐熱性、変形能、硬度を有する材料として、ゴムや樹脂の発泡体(断熱構造体)が使用可能である。弾性層120の好ましい例は、シリコンゴム発泡体である。弾性層120は、単層構造である必要はなく、異なる種類の発泡体を複数積層した構造、または非発泡体と発泡体を交互に積層した構造であってもよい。シリコンゴム発泡体を用いる場合、弾性層120の厚さは、好ましくは3〜7mmである。なお、本件特許出願でいう「厚さ」は変形していない状態での寸法を意味する。硬度は、アスカーゴム硬度計で10度〜60度、好ましくは10度〜30度、より好ましくは19度〜25度(例えばアスカーC硬度計で9.8N荷重時)である。定着ローラ100の弾性層120の長手方向(ローラの中心軸と平行な方向)の長さL1は、例えば330mmである。
周方向に関するニップ領域の長さが大きくなると、ニップ領域を通過するシート400上の溶融トナーと定着ベルトとの間に付着力が強まり、分離爪(図示せず)を用いてもシート400が定着ベルト200から容易に分離できないことがある。そのため、図1に示すように、定着ベルト200と加圧ローラ300の間に、定着ローラ100に向かって凸状に湾曲したニップ領域が形成されるように、弾性層120の硬度は加圧ローラ300の表面硬度より低くする。これにより、図示するように、ニップ領域を通過した直後のシート400の先端は定着ベルト200から離れる方向(図上、右斜め下方)に向けられ、シート400の持つ撓み難さ(腰の強さ)によって定着ベルト200から容易に分離する。
加圧ローラ300は、図示しない軸受を介して画像形成装置の本体に回転自在に支持され、また、図示しない駆動源のモータに駆動連結されており、モータの駆動に基づいて図1において時計回り方向に回転駆動するようにしてある。加圧ローラ300の両軸受と定着ローラ100の両軸受は、図示しないばね等の加圧機構によって連結され、例えば300N〜500Nの力で圧接されており、これにより、定着ローラ100が圧縮変形し、加圧ローラ300と定着ベルト200の間に、加圧ローラ300の外周に沿って所定の長さ(例えば、5mm〜15mm)を有するニップ領域が形成されている。
実施形態において、加圧ローラ300は芯金310を有する。芯金310は、中空又は中実の円筒体からなる。芯金310は、例えば直径20mmの厚さ3mmのアルミニウム製のパイプで形成される。芯金310として使用できる材料および好ましい材料は、定着ローラ100の芯金110と同じである。芯金310の外周は断熱性を有する弾性層320で被覆されている。弾性層320は、例えば厚さが3mm〜10mmのシリコンゴム発泡体からなる。弾性層320の外周は、離型層330で被覆することが好ましい。この例では、弾性層320と離型層330とが加圧ローラ300の外周部を構成している。離型層330は、定着ベルト200の離型層230と同様に、シート400の離型性を高めるために、例えば、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)や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)等のフッ素系樹脂よりなり、厚さ10μmから50μmである。上述のように、定着ローラ100に向かって凸状のニップ領域を形成するために、加圧ローラ300の表面硬度は、定着ローラ100の表面硬度よりも高い。例えば、定着ローラ100の表面硬度がアスカーC硬度で10度〜30度の場合、加圧ローラ300の表面硬度はアスカーC硬度で50度〜80度であることが好ましい。
定着ベルト200は、単一の層からなる単層構造、複数の層からなる複数構造のいずれであってもよい。実施形態では、定着ベルト200は、内層の電磁誘導発熱層210、中間層の弾性層220、外層の離型層230からなる3層構造を有する。なお、実施形態では、定着ベルト200の加熱手段として電磁誘導加熱方式を採用しており、単層構造の場合、定着ベルト200は電磁誘導によって加熱され得る材料で形成する。
定着ベルト200の弾性層220は、ニップ領域において、シート400と定着ベルトとの密着性を高め、定着に必要なトナー粒子の加熱および加圧が確実に行われることを目的に配置されている。弾性層220の材料は、シリコンゴムやフッ素ゴム等の耐熱性および弾性を有するゴムや樹脂の発泡材料が好ましい。好ましいシリコンゴムは、1成分系、2成分系、または3成分系以上のシリコンゴム、LTV(低温加硫)型、RTV(室温加硫)型または、HTV(高温加硫)型のシリコンゴム、縮合型または付加型のシリコンゴムである。
弾性層220の熱伝導性の向上および強度の向上を目的に、充填材を混入してもよい。熱伝導性を向上できる充填材としてダイヤモンド、銀、銅、アルミニウム、大理石および硝子を主成分とする粒子がある。充填材として好ましい粒子は、例えば、シリカ、アルミナ、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、酸化ベリリウムの粒子である。
弾性層220の厚さは、10μm〜800μmが好ましく、100μm〜300μm、さらには150μm〜250μmがより好ましい。弾性層の厚さが10μm未満では所望の密着性が得られず、800μmを超えると電磁誘導発熱層210で生じた熱のトナー粒子への伝達を阻害する。
弾性層220の硬度は、アスカ−C硬度で10〜30度が望ましい。硬度がこの範囲内であれば、弾性層220の強度低下、密着性不良を防止し、かつ、トナーの良好な定着性を達成することができる。
シート400がニップ領域を通過した後、シート400を定着ベルト200から容易に離型させるために、離型層230は定着ベルトの最も外側に配置される。離型層230として好ましい材料は、例えばシリコンゴム、フッ素ゴムおよび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)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、FEP(テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、PFEP(パーフルオロエチレンプロペンコポリマー)等のフッ素樹脂である。必要に応じて、導電材、耐摩耗材、高熱伝導材をフィラーとして添加しても良い。離型層230の厚さは、5μm〜100μmが好ましく、10μm〜50μm、さらには30μm〜50μmがより好ましい。
なお、定着ベルト200の各層間または定着ベルト200と定着ローラ100との間の密着力を高めるために必要に応じプライマー等による接着処理を行ってもよい。
電磁誘導発熱層210は、電磁誘導加熱により発熱するように、金属等の電気伝導性を有する材料を含む必要がある。電磁誘導発熱層210の材料は、強磁性で比較的透磁率が高く、適度な電気抵抗率を有することが好ましい。このような好ましい材料として、例えば、電鋳ニッケル、マルテンサイト系ステンレス鋼のような強磁性ステンレス鋼が挙げられる。電磁誘導発熱層210の厚さは、トナーの溶融に必要な熱容量を確保するために、10μm〜100μm、好ましくは20μm〜50μm、より好ましくは30μm〜45μmとすることが好ましい。
電磁誘導加熱装置500は、励磁コイル510を有する。コイル510は、例えば細い銅線を10本以上撚り合わせたリッツ線に耐熱性樹脂を被覆したものである。コイル510は定着ベルト200の上部外周面を覆うように該上部外周面の周りに配置されて磁気回路を構成している。コイル510に高周波が印加されることにより、定着ベルト210の長手方向の全長に亘って電磁誘導発熱層210を通る交番磁界が均一に形成され、該電磁誘導発熱層210が全長に亘って均一に電磁誘導加熱されるようにしてある。コイル510の外側には磁性体コア520が配置されており、電磁誘導によって形成される磁束が周辺の装置に漏れるのを防止すると共に磁気回路の磁束密度を高めるようにしてある。ただし、磁気の存在によって悪い影響を受ける装置が磁気コイル510の周囲に無い場合、磁性体コア520は省略できる。また、図示しないが、コイル510とコア520の間に消磁コイルを配置してもよい。コイル510の両端は誘導加熱電源(交流電源)530に接続されている。誘導加熱電源530は、例えば定格周波数が10kHzから〜100kHz、定格出力100W〜2,000Wの高周波インバータを有する。誘導加熱電源530は、その出力を調整する制御装置540に接続されている。制御装置540は、定着ベルト200の外周面近傍に配置された温度検出素子550に接続されている。図面上、温度検出素子550は、定着ベルト200から離間して示してあるが、非接触型の温度検出素子である必要はなく、接触型の温度検出素子(例えば、サーミスタ)を用いてもよい。これにより、制御装置540は、温度検出素子550の出力をもとに定着ベルト200の温度を検出し、検出した温度に基づいて誘導加熱電源530の出力を調整することで、定着ベルト200の表面温度を所定の温度(例えば、約180℃)に調整する。
以上の構成を備えた定着装置101の基本的な動作を説明する。定着時、図示しないモータの駆動に基づいて加圧ローラ300が図上時計回り方向に回転する。定着ベルト200と定着ローラ100は、それぞれ加圧ローラ300と定着ベルト200との摩擦力と定着ベルト200と定着ローラ100の摩擦力に基づき、図上反時計回り方向に回転する。電磁誘導加熱装置500では、誘導加熱電源530がコイル510に高周波を印加し、コイル510に囲まれた領域に交番磁界を形成する。その結果、コイル510の対向領域を通過する定着ベルト部分が発熱する。定着ベルト200の表面温度は温度検出素子550で検出され、その検出結果に基づいて制御装置540が誘導加熱電源530の出力を調整し、定着ベルト200の表面温度を一定に維持する。
図示するように、画像形成装置の画像形成部で形成された現像剤像(トナー像)を上面に担持したシート400は、定着ベルト200と加圧ローラ300が接触するニップ領域に図上左側から供給される。ニップ領域を通過するシート400に担持されている未定着現像剤は、定着ベルト200から与えられる熱によって加熱されて溶融する。溶融した現像剤は、定着ローラ100と加圧ローラ300の間に作用する圧力によってシート400に定着される。図示するように、ニップ領域は、加圧ローラ300から定着ローラ100に向かって凸状に形成されていることから、ニップ領域を通過したシート400の先端は、シート400の撓み難さと相まって、定着ベルト200から離れるように図上右斜め下方に向けて送り出される。これにより、シート400は、定着ベルト200から確実に分離され、例えば図示しない排出トレイに排出される。
なお、以上の説明では、定着ベルト200の加熱手段として電磁誘導加熱装置500を用いたが、例えば通電加熱やハロゲンランプによる照射加熱のような他の加熱手段を用いても良い。加熱手段にハロゲンランプを用いる場合、発熱層210は電気伝導性を有しない材料であってもよい。その場合、発熱層210に代えて、厚さ50μm〜100μmの樹脂層、例えばPI(ポリイミド)層を用いることができる。
本発明において、定着ローラ100、加圧ローラ300および定着ベルト200の長手方向の長さについて説明する。
上述のように、従来は、軟質の定着ローラと硬質の加圧ローラを用い、両者の間に所定の大きさのニップ領域を形成した定着装置または他のシート搬送装置にあっては、これら2つのローラの長手方向の長さは同一に設計される。しかし、このように設計した場合、次のような問題がある。
図3A−3Bは、同一の長さを有する定着ローラと加圧ローラの両端を揃えて配置された従来の定着装置の一部を示す。この図において、図3Aは、定着ローラ1100と加圧ローラ1300が圧接されていない状態を示し、図3Bは硬質加圧ローラ1300が軟質定着ローラ1100に圧接されて軟質定着ローラ1100が変形している状態を示す。図3Aに示すように、軟質定着ローラ1100と硬質加圧ローラ1300が圧接していない状態では両ローラ1100,1300の端部1120,1320は揃っているが、図3Bに示すように軟質定着ローラ1100と硬質加圧ローラ1300が圧接している状態では軟質定着ローラ1100の両端部(図中、左端部のみ示す。)1120が外側に膨出する。その結果、定着ローラ1100と加圧ローラ1300の間に保持されている定着ベルト1200の端部1210が、定着ローラの膨出した端部1120によって加圧ローラ1300に向けて折り曲げられる。特に、図示するように、シート1400の端部が加圧ローラ1300の端部1320よりも内側にある場合、定着ベルト1200の折り曲げ量は更に大きくなる。また、両端部領域では定着ローラ1100と加圧ローラ1300の加圧力が定着ローラ1100の膨出方向(水平方向外側)に逃げて分散し、シート1400の両端部では定着力が不足する。
これにより、シート1400の両端部では、現像剤の定着が不十分であったり、定着前の現像剤が端部に向かって外側に移動して画像の乱れを生じる。特にフルカラーの画像形成装置では、シート1400に複数の色の現像剤が積層されているため、画像に乱れを生じることが多い。また、定着ベルト1200が金属層(電磁誘導発熱層1210)を含む場合、この金属層に過度の曲げ応力が生じて割れを発生することがある。
このような問題を解消するため、本発明に係る定着装置101では、図2に示すように、硬質加圧ローラ300を軟質定着ローラ100よりも長くし、加圧ローラ300の外周部(離型層330および弾性層320)の両端を定着ローラ100の外周部(弾性層120)の両端よりも外側に位置させてある。具体的に、実施形態では、例えば幅311mmのA3W紙を定着できるように、定着ローラ100の外周部の長手方向Xの長さL1が330mm、加圧ローラ300の外周部の長手方向Xの長さL2が336mmである。つまり、長さL1が長さL2より短くなっている。例えば、定着ベルトのX方向寸法L3は340mmである。また、定着ローラ100の外周部の端部が加圧ローラ300の外周部の端部より3mm内側(図2のX方向)に位置させてある。したがって、図示しないが、定着ローラ100と加圧ローラ300が所定の圧力で圧接している状態にあっても、定着ローラ100の弾性層120の膨出した端部が加圧ローラ300の外周部の端部とほぼ同じ位置になる。これにより、上述した画像の乱れや金属層の破壊といった問題が解消される。
ただし、定着ローラ100と加圧ローラ300の加圧力によって異なるが、定着ローラ100の外周部の長さL1と加圧ローラ300の外周部の長さL2は、以下の式(1)の関係を満足することが好ましい。
〔数1〕
2mm≦L2−L1≦10mm (1)
なお、定着ローラ100の外周部の両端から長手方向に突出する加圧ローラ300の外周部の長さは左右で同じことが必要ではない。ただし、この場合もで、定着ローラ100の端部から突出する加圧ローラ300の長さは、約1mm〜5mmとすることが好ましい。
以上の説明では、定着ベルトは一つのローラ(定着ローラ)に支持されているが、図4に示すように、本発明は定着ベルトが複数のローラに支持された形態の定着装置も含むものである。具体的に、この形態の定着装置101’において、定着ベルト600は定着ローラ100と支持ローラ700に支持されている。定着ベルト600は上述の定着ベルト200と同様に、3層(発熱層610、弾性層620、離型層630)の構造を有する。発熱層610、弾性層620、離型層630に用いられる材料や厚さ等の特性は、定着ベルト200の発熱層210、弾性層220、離型層230とそれぞれ同じである。定着装置101’では、加熱手段として、支持ローラ700内部に設置されたハロゲンランプ800を使用している。したがって、定着ベルト600に金属層(誘導加熱層)は不要である。定着ローラ100、および加圧ローラ300の構造、材料、長さについては。定着装置101に関して説明した通りである。
上述の定着装置を含む画像形成装置の実施形態を説明する。図5は、複写機、プリンタ、ファクシミリ、またはそれらの機能を複合的に備えた複合機等のフルカラー式電子写真式画像形成装置を示す。なお、本発明の特徴部分を明確にすることで発明の理解を容易にするために、画像形成装置の筐体は図面から除かれている。
画像形成装置2は、所謂タンデム方式のカラー画像形成装置である。ただし、本発明は、この種の画像形成装置にのみに適用されるものでなく、他の形態の画像形成装置、例えば、回転軸の周囲に4つの現像装置を配置し、これらを順次静電潜像担持体に対向させてフルカラー画像を作成する所謂4サイクル方式の画像形成装置、または、一つの現像装置しか備えていないモノクロ画像形成装置にも同様に適用できる。
図示するように、画像形成装置2は、無端状の中間転写ベルト30を有する。転写ベルト30は、図上左右に配置されたローラ32,34に支持されている。ローラ32,34のいずれか一方は、図示しないモータに駆動連結されており、図上反時計回り方向に移動するようにしてある。図上右側のローラ32から図上左側のローラ34に移動するベルト部分の上には、図上右側から左側に向かって順に、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(K)の現像剤をそれぞれ用いて対応する色のトナー像を作成する4つの作像部3Y,3M,3C,3K(符号3で総称する。)が配置されている。
各作像部3は、静電潜像担持体として円筒状の感光体4を有する。感光体4の周囲には、その回転方向(図中時計回り方向)に沿って順に、帯電器8、露光装置10、現像装置18、一次転写ローラ14、潤滑剤塗布装置6、クリーニングブレード16が配置されており、一次転写ローラ14は無端状中間転写ベルト30の内側に配置されている。
カラーモードにおける画像形成動作の一例について簡単に説明する。先ず、各作像部3では、所定の周速度で回転駆動されている感光体4の外周面(像担持面)が、潤滑剤塗布装置6により潤滑剤を塗布され、クリーニングブレード16で残存するトナーを除去された後に帯電器8により帯電される。実施の形態では、感光体クリーニングブレード16として板状のブレードが使用されており、その一端側が感光体4の外周面に接触している。次に、帯電された感光体4の外周面には、画像情報に応じた光が露光装置10から投射され、静電潜像が形成される。続いて、静電潜像は、現像装置18から供給される現像剤のトナーにより顕在化されトナー像を形成する。このようにして感光体4上に形成された各色のトナー像は、感光体4の回転により一次転写領域に達すると、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの順で、感光体4から中間転写ベルト30上へ転写(一次転写)されて重ねられる。
中間転写ベルト30に転写されることなく感光体4上に残留しているトナーは、感光体4とクリーニングブレード16との接触部に達すると、クリーニングブレード16で掻き取られ、感光体4の外周面から除去される。
中間転写ベルト30上で重ね合わされた4色のトナー像は、中間転写ベルト30によって二次転写領域41に搬送される。一方、そのタイミングに合わせて、給紙カセット44に収容された用紙が、二次転写領域41に搬送される。そして、4色のトナー像が、二次転写領域41において中間転写ベルト30から用紙に二次転写される。4色のトナー像が転写された用紙は、搬送路50のさらに下流側へ搬送され、高周波誘導式の加熱装置を含む定着装置101によってトナー像が用紙に定着された後、排紙ローラ56によって排紙部58に送り出される。二次転写領域41を通過した中間転写ベルト30は、クリーニング部材42で清掃される。その後、各感光体4及び中間転写ベルト30の回転駆動が停止される。
この画像形成装置2では、上記定着装置101を用いることで、トナー粒子層の厚さが厚くてもシート端部での定着不足の発生が低減され、また、ローラの長手方向Xに関してシートに付与される押圧力のばらつきが低減される。このため全体に一様でかつ鮮明な画像を得ることができる。また、シート端部に湾曲等の変形が少なくなる。
〔実施形態2〕
図6は、本発明の実施形態2にかかる定着装置901の断面図である。図6の断面は、後述する2つのローラ900,300の中心軸(図示せず)を面内に含んでいる。定着装置901において、定着ローラ900は、実施形態1で示した定着ローラ100と同様に、芯金910、芯金910の外周を覆う断熱性を有する弾性層920を含む。芯金910に用いられる材料は芯金110と同じであり、弾性層920の材料および硬度は弾性層120と同じである。
弾性層920は、図6中に示す定着ローラ900の長手方向Xに関してシート通過領域A以外の両端部領域Eにおいて、外周部に周方向に連続した環状の凹部925を有する。この例では、凹部925は、長手方向Xに関して外側へ向かって弾性層920の外径寸法が垂直な段差をもって減少した断面矩形の片溝の形態になっている。定着ローラ900を金型で成型する場合、凹部925は定着ローラ900と一体に形成することができる。または、芯金910の上に弾性層920を形成した後、両端部領域Eにおいて角部を例えば切削等により切除して凹部925を形成してもよい。
このような構成を採用したことにより、実施形態2の定着装置901では、定着ローラ900の外周部の長手方向Xの長さL1は、加圧ローラの外周部の長手方向Xの長さL2より短くなっている。なお、本実施形態2においても、L1とL2は式(1)の関係を満足することが好ましい。
具体的な寸法を説明すると、定着ローラ900の長手方向Xに関して凹部925の長さL4(図6、図7参照)は、6mmであり、好ましい範囲は2mm〜10mmである。凹部925の高さL5(図6、図7参照)は、例えば2mmであり、好ましい範囲は1〜5mmである。これらの値は、定着ローラ900が圧接されていない(押圧力を受けていない)状態での値である。
このような構成によれば、定着ローラ900と加圧ローラ300とが定着ベルト200を介し圧接されて、定着ローラ900の外周部の端部が長手方向Xに関して膨らもうとしても、上記凹部925を満たすのみに止めることが可能になる。これにより、定着ベルト900にさらにストレスを与えることが無くなり、上述した画像の乱れや金属層の破壊といった問題が確実に解消される。
凹部925は、定着ローラ900の外周部の両端部領域Eに設けることが望ましい。しかし、定着ローラ900の外周部と加圧ローラ300の外周部とで長手方向のセンターの位置が異なる等の理由により、一方の端部領域Eにおいて凹部925を設けなくても加圧ローラ300の外周部の端部の方が、定着ローラ900の外周部の端部より外側にある場合等は、定着ローラ900の外周部の片方の端部領域Eにのみ凹部925を設けても良い。また、定着ローラ900の外周部の長手方向Xの長さL1は定着ベルト300のX方向寸法L3より短いか、又は同じであることが好ましい。
〔実施形態3〕
図6に示す凹部925の断面の形状は矩形状であるであるが、この形状に限定されるものではない。図7Aに示す三角形の断面をもつ凹部926、図7Bに示す横向きのU字形状の断面をもつ凹部927、図7C示す台形の断面をもつ凹部928、図7Dに示すバーズビーク(鳥の嘴)形状の断面をもつ凹部929であってもよい。なお、これらの凹部926,927,928,929は、図6に示す凹部925と同様に、いずれも周方向に連続した環状の片溝の形態になっている。
図7Aに示す三角形の断面をもつ凹部926は、外径寸法が長手方向Xに関して外側へ向かって直線的に減少している傾斜部を有している。この例では、シート通過領域A(図6参照)における弾性層920の外周面(本来の外周面)に対して、上記傾斜部は20°以上、この例では30°の角度で屈曲している。これにより、凹部926の長さL4を抑えながら凹部926の高さ(空間)L5を容易に確保できる。この凹部926では、上記傾斜部は直線をなしているので、弾性層920の加工および寸法管理が容易になる。
図7Bに示す凹部927は、長手方向Xに関して外側へ向かって開いた、横向きのU字形状の断面をもつ。これにより、凹部927が作る空間を容易に確保できる。
図7Cに示す台形の断面をもつ凹部928は、外径寸法が長手方向Xに関して外側へ向かって直線的に減少している傾斜部928aと、この傾斜部928aの外側に連なって、外径寸法が一定である平坦部928bとを有している。これにより、凹部928が作る空間を容易に確保できる。
図7Dに示すバーズビーク形状の断面をもつ凹部929は、外径寸法が長手方向Xに関して外側へ向かって徐々に緩やかに減少している傾斜部929aと、この傾斜部929aの外側に連なって、外径寸法が一定である平坦部929bとを有している。これにより、凹部929が作る空間を容易に確保できる。
これらの凹部926,927,928,929が設けられていれば、図6中に示した凹部925が設けられている場合と同様に、定着ローラ900と加圧ローラ300とが定着ベルト200を介し圧接されて、定着ローラ900の外周部の端部が長手方向Xに関して膨らもうとしても、上記凹部926,927,928,929を満たすのみに止めることが可能になる。これにより、定着ベルト900にストレスを与えることが無くなり、上述した画像の乱れや金属層の破壊といった問題が解消される。
次に、図7Cに示す台形の断面をもつ凹部928に関して詳細に説明する。
この凹部928では、傾斜部928aは直線をなしているので、図7Aに示した凹部926と同様に、弾性層920の加工および寸法管理が容易になる。
また、図8Aに示すように、この凹部928では、弾性層920の本来の外周面920aに対して、上記傾斜部928aは20°以上かつ65°以下の角度θ、この例ではθ=61.3°で屈曲している。θが20°以上であるから、凹部928の長さL4を抑えながら凹部928の高さ(空間)L5を容易に確保できる。一方、θが65°以下であるから、定着ローラ900と加圧ローラ300とが定着ベルト200を介し圧接された状態で、例えばθが90°である場合(図6中の凹部925)に比して、弾性層920のうち傾斜部928aおよびその近傍部分に加わる剪断応力が緩和される。したがって、弾性層920が長時間の駆動に耐えられるようになり、信頼性が向上する。また、弾性層920の平坦部928bの外周面に対して、弾性層920の傾斜部は0°を超えかつ65°以下の角度θ、この例ではθ=61.3°(=θ)で屈曲して立ち上がっている。したがって、弾性層920の傾斜部928a近傍に加わる剪断応力がさらに緩和される。したがって、弾性層920がさらに長時間の駆動に耐えられるようになり、さらに信頼性が向上する。
図10、図11は、定着ローラ900と加圧ローラ300とが定着ベルト200を介し圧接されたときの、弾性層920の最大ひずみ、最大応力についてのCAE(Computer Aided Engineering)解析の結果を示している。図6中に示す凹部925を設けた場合に比して、図7C中に示す凹部928を設けた場合に、それぞれ最大主ひずみ、最大主応力が緩和されるという結果が得られている。図13A、図13Bは、図7C中に示す凹部928を設けた場合において、定着ローラ900と加圧ローラ300とが定着ベルト200を介し圧接される前、後の弾性層920の状態をシミュレーションした結果を示している。図13A、図13B中の網の目は、弾性層920の各部の移動を示すために仮想的に設定したものである。これらの図13A、図13Bから、圧接による応力がうまく分散されていることが分かる。
また、図12は、「凹部なし」である未対策の場合と、図6中に示す凹部925を設けた場合と、図7C中に示す凹部928を設けた場合とで、定着装置を連続駆動したときの耐久性の結果を比較して示している。「凹部なし」の場合は、約2時間の連続駆動でベルト金属層が破壊した。図6中に示す凹部925を設けた場合は、弾性層920が破断するまで、約320時間の連続駆動が可能であった。図7C中に示す凹部928を設けた場合は、1000時間の連続駆動でも不具合が発生しなかった。このように、凹部925、凹部928を設けたことによる効果が確認された。
弾性層920のうち傾斜部およびその近傍部分に加わる剪断応力を緩和する効果は、図7Dに示すバーズビーク形状の断面をもつ凹部929によっても得られる。図8Bに示すように、この凹部929では、弾性層920の本来の外周面920aに対して、上記傾斜部929aは20°以上かつ65°以下の角度θ、この例ではθ=61.3°で屈曲している。θが20°以上であるから、凹部929の長さL4を抑えながら凹部929の高さ(空間)L5を容易に確保できる。一方、θが65°以下であるから、定着ローラ900と加圧ローラ300とが定着ベルト200を介し圧接された状態で、例えばθが90°である場合(図6中の凹部925)に比して、弾性層920のうち傾斜部929aおよびその近傍部分に加わる剪断応力が緩和される。したがって、弾性層920が長時間の駆動に耐えられるようになり、信頼性が向上する。また、弾性層920の平坦部929bの外周面に対して、弾性層920の傾斜部929aは湾曲して立ち上がっている(なお、傾斜部929aは0°を超えかつ65°以下の角度θで屈曲して立ち上がっていても良い。)。したがって、弾性層920のうち傾斜部929aおよびその近傍部分に加わる剪断応力がさらに緩和される。したがって、弾性層920がさらに長時間の駆動に耐えられるようになり、さらに信頼性が向上する。
また、図7C示す凹部928、図7Dに示す凹部929は、図7Bに示す凹部927と同様に、長手方向Xに関して外側に、外形寸法が一定である平坦部928b,929bを有している。この場合、例えば図9中に示すように、弾性層920の外側端面920eの外径寸法を容易に或る程度確保できる。したがって、定着ベルト200の蛇行を防止するための蛇行規制部材250を、弾性層920の外側端面920eに当接して容易に位置決めすることができる。これにより、定着ベルト200の蛇行を有効に防止できる。
実施形態1、2および3では、本発明を定着装置に適用した例を示したが、本発明は、シート又は帯状の部材(ストリップ)を搬送する装置、さらには単に物を搬送するだけでなく、搬送物を加熱する装置、搬送物を塗装する装置、搬送物に他の物を貼り付ける装置にも提供可能である。そして、このような搬送装置にあっても、ローラによる搬送物への長手方向の押圧力の変動を低減することができ、また2つのローラの硬度が異なることに起因する搬送物およびベルトのローラの長手方向側端部の湾曲を解消できる。
当然、画像形成装置にあっては、定着装置にシートを搬送するための搬送装置にも本発明は適用可能である。
本発明の実施形態1にかかる定着装置の断面図である。 図1に示す定着装置のII―II線に沿った断面図である。 従来の定着装置のニップ領域のローラ長手方向端部の断面図であって、定着ローラと加圧ローラが圧接されていない状態を示す図である。 従来の定着装置のニップ領域のローラ長手方向端部の断面図であって、定着ローラと加圧ローラが圧接されている状態を示す図である。 本発明の実施形態1にかかる別の定着装置の側面図である。 本発明の実施形態1にかかる画像形成装置の断面図である。 本発明の実施形態2にかかる定着装置であって、定着ローラの弾性層に矩形状の断面をもつ凹部を有するものを示す断面図である。 定着ローラの弾性層に設けられた三角形の断面をもつ凹部を示す図である。 定着ローラの弾性層に設けられた横向きのU字形状の断面をもつ凹部を示す図である。 定着ローラの弾性層に設けられた台形の断面をもつ凹部を示す図である。 定着ローラの弾性層に設けられたバーズビーク形状の断面をもつ凹部を示す図である。 図7Cの凹部を詳細に示す図である。 図7Dの凹部を詳細に示す図である。 定着ローラの弾性層の外側端面に蛇行規制部材を当接した態様を示す図である。 定着ローラと加圧ローラとが定着ベルトを介し圧接されたときの、定着ローラの弾性層の最大主ひずみを、図6中に示す凹部を設けた場合と図7C中に示す凹部を設けた場合とで比較して示す図である。 定着ローラと加圧ローラとが定着ベルトを介し圧接されたときの、定着ローラの弾性層の最大主応力を、図6中に示す凹部を設けた場合と図7C中に示す凹部を設けた場合とで比較して示す図である。 「凹部なし」である未対策の場合と、図6中に示す凹部を設けた場合と、図7C中に示す凹部を設けた場合とで、定着装置を連続駆動したときの耐久性の結果を比較して示す図である。 弾性層に図7C中に示す凹部を設けた場合において、定着ローラと加圧ローラとが定着ベルトを介し圧接される前の上記弾性層の状態を示す図である。 弾性層に図7C中に示す凹部を設けた場合において、定着ローラと加圧ローラとが定着ベルトを介し圧接された後の上記弾性層の状態を示す図である。
符号の説明
101,101’,901:定着装置、
100,900:定着ローラ、
110,910:芯金、
120,920:弾性層、
200:定着ベルト、
210:加熱層、
220:弾性層、
230:離型層、
300:加圧ローラ、
310:芯金、
320:弾性層、
330:離型層、
400:シート
925,926,927,928,929:凹部

Claims (6)

  1. 円筒形状の定着ローラと、
    上記定着ローラの表面硬度より高い表面硬度を有する円筒形状の加圧ローラと、
    上記定着ローラの外周に設置された定着ベルトを含み、
    上記定着ローラと上記加圧ローラとは、上記定着ベルトを介し圧接され、上記加圧ローラと上記定着ベルトにより形成されたニップ部を、表面にトナー像を有するシートが通過し、トナー粒子が上記シートに定着される定着装置において、
    上記定着ローラの外周部が樹脂またはゴムの発泡体を弾性層として含み、
    上記定着ローラの上記弾性層の外周部の長手方向の長さが、上記加圧ローラの外周部の長手方向の長さより短く、
    上記定着ローラの上記弾性層は、上記長手方向に関してシート通過領域以外の両端部領域に、外径寸法が上記長手方向に関して外側へ向かって連続的に減少している傾斜部と、上記傾斜部の外側に連なって、外径寸法が一定である平坦部とを有することを特徴とする定着装置。
  2. 円筒形状の定着ローラと、
    上記定着ローラの表面硬度より高い表面硬度を有する円筒形状の加圧ローラと、
    上記定着ローラと支持ローラとの間に張架された定着ベルトを含み、
    上記定着ローラと上記加圧ローラとは、上記定着ベルトを介し圧接され、上記加圧ローラと上記定着ベルトにより形成されたニップ部を、表面にトナー像を有するシートが通過し、トナー粒子が上記シートに定着される定着装置において、
    上記定着ローラの外周部が樹脂またはゴムの発泡体を弾性層として含み、
    上記定着ローラの上記弾性層の外周部の長手方向の長さが、上記加圧ローラの外周部の長手方向の長さより短く、
    上記定着ローラの上記弾性層は、上記長手方向に関してシート通過領域以外の両端部領域に、外径寸法が上記長手方向に関して外側へ向かって連続的に減少している傾斜部と、上記傾斜部の外側に連なって、外径寸法が一定である平坦部とを有することを特徴とする定着装置。
  3. 請求項1または2に記載の定着装置において、
    上記定着ローラの中心軸を含み上記長手方向に平行な断面で、上記シート通過領域における上記弾性層の外周面に対して上記傾斜部は20°以上かつ65°以下の角度で屈曲していることを特徴とする定着装置。
  4. 請求項1または2に記載の定着装置において、
    上記定着ローラの中心軸を含み上記長手方向に平行な断面で、上記弾性層の上記平坦部の外周面に対して上記弾性層の上記傾斜部は0°を超えかつ65°以下の角度で屈曲し、又は湾曲して立ち上がっていることを特徴とする定着装置。
  5. 請求項1から4までのいずれか一つに記載の定着装置において、
    上記定着ローラの中心軸を含み上記長手方向に平行な断面で、上記弾性層の上記傾斜部は直線をなしていることを特徴とする定着装置。
  6. 請求項1から5までのいずれか一つに記載の定着装置を含むことを特徴とする画像形成装置。
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