JP4306477B2

JP4306477B2 - 画像形成装置

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Publication number: JP4306477B2
Application number: JP2004025104A
Authority: JP
Inventors: 宏史夫馬
Original assignee: Konica Minolta Business Technologies Inc
Current assignee: Konica Minolta Business Technologies Inc
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2024-02-02
Also published as: JP2005215580A

Description

本発明は、複写機、プリンタ、ＦＡＸ等の電子写真方式を用いる定着装置を有する画像形成装置に関し、特にベルト方式の定着装置を有する画像形成装置に関する。

従来、所定の温度範囲に維持された無端状の定着ベルトの表面に対して、トナー像面側が向くように、未定着のトナー像を保持する転写材を送り込むとともに、ベルトを挟んで対向配置せしめた加圧手段であるベルト支持加圧ローラと、ベルト外部加圧ローラとで前記転写材を前記ベルトに押圧せしめ、前記ベルトと前記加圧支持ローラ（以下、単に加圧支持ローラという。）と、外部加圧ローラ（以下、単に外部加圧ローラという。）とによる加熱、加圧作用を介して、前記トナー像を転写材上に定着させるように構成したベルト定着方式を利用した画像形成装置は公知として一般化されている。

ベルト定着方式のベルトは高い耐久性能を確保する必要があるため、その素材にはポリイミド係樹脂が多用されているが、この系列の樹脂の弾性率は温度依存性が大きく、冷えているときはベルトループの形状履歴が残ってしまい、外部加圧ローラと支持加圧ローラとでベルトを挟持圧着した状態にしないと回転できないためベルトの一様な予熱が不可能となる。

この問題を解決するために加熱定着ロールの設定温度とベルトの設定温度を異なる値に設定し、加熱定着ロールとベルトとを接触および離間させる接離手段を設けるとともに、ベルトを独自に回転させる駆動手段を設けるように構成した技術も公開されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１９４６４７号公報

しかしながら、加圧ローラ対（支持加圧ローラと外部加圧ローラとの対）とでベルトを圧着した状態で予熱を継続し、ベルトを必要な温度まで加熱すると、ベルトを介して外部加圧ローラも同時に継続加熱されるため、外部加圧ローラは必要以上に昇温し、転写材の裏面（非画像面）からも必要以上に転写材へ熱が伝わり、水蒸気等を発生させ、特に、コート紙等では「ブリスタ」と呼ばれる現象を引く起こして、平滑性を失い、画像劣化となる問題が生じる。また外部加圧ローラの余分な昇温により、昇温に要する時間も長くなる。

本発明は、ベルトループの形状履歴によるベルト駆動不良をなくし、円滑なベルト回転により、加圧ローラ温度と独立して、安定したベルト温度を維持し、適切な定着処理が可能な画像形成装置を提供することを目的とする。

上記目的は、下記の構成によって達成することができる。

（１）加熱手段と、前記加熱手段にて加熱されるベルトと、前記ベルトの内側に配置され駆動力を伝達するローラと、前記ローラに対向して前記ベルトを介して設けられた加圧手段と、を有し、未定着トナー画像を担持した転写材を前記ローラと前記加圧手段によって挟持圧着して定着するベルト方式の定着装置を有する画像形成装置において、
前記ベルトの予熱動作中に、前記加圧手段が前記ベルトに圧着することなく前記ローラとの摩擦力だけで駆動することができる所定の状態に達したか否かを検知する検知手段と、
前記検知手段の検知結果に応じて前記加圧手段をベルトへの圧着状態から圧着解除状態へ切替えるよう制御する制御手段と、
を有することを特徴とする画像形成装置。

形状履歴が残るベルトもしくは外部加圧ローラを、圧着状態で、所定の温度に上昇するまで回転予熱させ、圧着解除状態でベルトが回転するようになったら、圧着解除状態で回転予熱させるので、ベルトと外部加圧ローラの温度を独立に制御でき、かつ予熱時間も短縮できる。

はじめに、本発明の定着装置及びそれを装着する画像形成装置について説明する。

本発明の実施の形態における説明では、本明細書に用いる用語により本発明の技術範囲が限定されることはない。

図１は画像形成装置の全体構成の一例を示す模式図である。

図において、１０は感光体、１１は帯電手段であるスコロトロン帯電器、１２は画像書き込み手段である書き込み装置、１３は現像手段である現像器、１４は感光体１０の表面を清掃するためのクリーニング装置、１５はクリーニングブレード、１６は現像スリーブ、２０は中間転写ベルトを示す。画像形成手段１は感光体１０、スコロトロン帯電器１１、現像器１３、およびクリーニング装置１４等からなっており、各色毎の画像形成手段１の機械的な構成は同じであるので、図ではＹ（イエロー）系列のみの構成について参照符号を付けており、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）およびＫ（黒）の構成要素については参照符号を省略した。

各色毎の画像形成手段１の配置は中間転写ベルト２０の走行方向に対して、Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋの順になっており、各感光体１０は中間転写ベルト２０の張設面に接触し、接触点で中間転写ベルト２０の走行方向と同方向、かつ、同線速度で回転する。

中間転写ベルト２０は駆動ローラ２１、アースローラ２２、テンションローラ２３、除電ローラ２７、従動ローラ２４に張架され、これらのローラと中間転写ベルト２０、転写器２５、クリーニング装置２８等でベルトユニット３を構成する。

中間転写ベルト２０の走行は不図示の駆動モータによる駆動ローラ２１の回転によって行われる。

感光体１０は、例えばアルミ材によって形成される円筒状の金属基体の外周に導電層、ａ−Ｓｉ層あるいは有機感光体（ＯＰＣ）等の感光層を形成したものであり、導電層を接地した状態で図の矢印で示す反時計方向に回転する。

読み取り装置８０からの画像データに対応する電気信号は画像形成レーザで光信号に変換され、書き込み装置１２によって感光体１０上に投光される。

現像器１３は、感光体１０の周面に対し所定の間隔を保ち、感光体１０の回転方向と最接近位置において同方向に回転する円筒状の非磁性ステンレスあるいはアルミ材で形成された現像スリーブ１６を有している。

中間転写ベルト２０は、体積抵抗率１０⁶〜１０¹²Ω・ｃｍの無端ベルトであり、例えば変性ポリイミド、熱硬化ポリイミド、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン、ナイロンアロイ等のエンジニアリングプラスチックに導電材料を分散した、厚さ０．１〜１．０ｍｍの半導電性フィルム基体の外側に、好ましくはトナーフィルミング防止層として厚さ５〜５０μｍのフッ素コーティングを行った２層構成のシームレスベルトである。ベルトの基体としては、この他に、シリコンゴム或いはウレタンゴム等に導電材料を分散した厚さ０．５〜２．０ｍｍの半導電性ゴムベルトを使用することもできる。

２５は転写器で、トナーと反対極性の直流が印加され、感光体１０上に形成されたトナー像を中間転写ベルト２０上に転写させる機能を有する。転写器２５としてはコロナ放電器の他に転写ローラを用いることもできる。

２６はアースローラ２２から当接および当接解除可能な転写ローラで、中間転写ベルト２０上に形成されたトナー像を転写材Ｐに再転写する。

２８はクリーニング装置で、中間転写ベルト２０を挟んで従動ローラ２４に対向して設けられている。トナー像を転写材Ｐに転写後、中間転写ベルト２０は、トナーと同極性または逆極性の直流電圧を重畳した交流電圧が印加された除電ローラ２７で残留トナーの電荷が弱められ、クリーニングブレード２９によって周面上に残ったトナーが清掃される。

４は本発明に係わる定着装置であり、４１は加熱手段である支持加熱ローラ、４２は加圧手段である外部加圧ローラ、Ｇはガイド板、４４は定着排紙ローラ、４５はハロゲンランプ、４６は加圧手段である支持加圧ローラ、４７はポリイミドからなる層を有する定着用のベルトで、４８はガイドブロック、４９は加圧パッドである。ベルト４７は、冷却時には、支持加熱ローラ４１、支持加圧ローラ４６、ガイドブロック４８、加圧パッド４９の外周に張り回され、ローラ等から外してもこのループ形状を概ね維持している。なお、定着装置４の詳細については後述する。

７０は紙送り出しローラ、７１はタイミングローラ、７２は紙カセット、７３は搬送ローラである。

ここで、本発明に係る定着装置について説明する。

本画像形成装置に搭載されている定着装置は、給紙ガイド等により定着領域に搬送されてきたトナー像を保持した転写材を、加圧手段である上、下加圧ローラ対（支持加圧ローラ４６と外部加圧ローラ４２との対）で形成されるニップに先立ち、上流の加圧パッド４９で下加圧ローラに捲き付けられたベルトと下加圧ローラ間（補助ニップ）とに挟持、加圧し、予熱する。さらに、その後の主ニップである上、下加圧ローラ間でベルトの熱でトナー像を転写材上に定着する。

トナー層にはゴム、もしくは極く薄い離型性層を介してゴムが当接されるため、ゴムが変形して転写材やトナー層の凹凸に追従して、均一に接触し、光沢むら等のない均一な定着が行われ、トナー像は適度な光沢を持ち、また定着後、転写材は安定して定着ベルトから分離する。

図２は、定着装置の断面を示す拡大略図である。

図２において、本実施の形態における定着装置は、支持加圧ローラ４６と外部加圧ローラ４２との間に、支持加熱ローラ４１によって加熱されたベルト４７を介して転写材Ｐを挟んで加圧、加熱する定着方式である。

支持加熱ローラ４１は、アルミから形成された円筒状の芯金４１３の外周に離型層４１１が被覆された構成で作られ、支持加熱ローラ４１の空洞部に配設された、加熱源であるハロゲンヒータ４５によって所定の温度まで加熱され、その温度は、前記支持加熱ローラ４１に設置された接触温度センサ４１４により検出され、コントロール部Ｂ１（図１参照）に伝達され、規定の温度となるようにハロゲンヒータへの通電が制御されている。

ベルト４７は、前記支持加熱ローラ４１で加熱され、外部加圧ローラ４２に非接触状態で、１６０〜２００°Ｃの範囲で、光沢度や転写材の厚みなどに応じた温度で加熱される。

外部加圧ローラ４２は、アルミから成形された円筒状の芯金４２３に弾性体であるの耐熱層４２２がライニングされ、当該耐熱層４２２の外周に離型層４２１が被覆された構成で作られ、外部加圧ローラ４２の空洞部に配設された、加熱源であるハロゲンヒータ５０によって所定の温度まで加熱され、その温度は、前記外部加圧ローラ４２に設置された接触温度センサ５１４により検出され、コントロール部Ｂ１（図１参照）に伝達され、規定の温度となるようにハロゲンヒータへの通電が制御されている。

外部加圧ローラ４２の耐熱層４２２の製品硬度は、支持加圧ローラ４６の不図示の耐熱層の製品硬度より高くなっているため（製品硬度とはＡｓｋｅｒＣ硬度をいう。）、上凸ニップ部が形成され、ベルト４７から転写材Ｐが剥離しやすくしてある。

図３は、外部加圧ローラと圧着機構を示す断面図である。

図３において、外部加圧ローラ４２は、ステイ４０８で一体化された前側、奥側のローラ支持板４３０に、両端部が不図示の耐熱スリーブを介して支持され、当該ローラ支持板４３０は定着装置４の枠体に支持された支持軸４３１を支点として点線で示すような位置に回動可能となっている。

また、支持板４３０もしくは支持板４３０に固定された部材を押すように設けられたバネ４３４と、当該バネの支持位置を変更し、バネ４３４による支持板４３０への付勢をＯＮ、ＯＦＦするカム４３２、このカム４３２を回転させる不図示のモータにより構成された加圧手段である外部加圧ローラ４２を支持加圧ローラ４６へ圧着する圧着機構４３が設けられ、転写材を挟持、搬送しているときのみならず、ベルト４７の予熱中にも、所定の圧力で外部加圧ローラ４２をベルト４７を介して支持加圧ローラ４６に押し当て圧着、および圧着解除されるように制御される。

支持加圧ローラ４６は、一体に取り付けられた歯車４１７と係合する、駆動部からの歯車４１８からの動力によって回転する。

画像形成装置への電源投入直後など、定着装置４が冷えているときには、耐熱樹脂やゴム等からなるベルト４７は弾性率が高く、すなわち、硬くなっているため、外部加圧ローラ４２を支持加圧ローラ４６から解除した状態で、支持加圧ローラ４６を駆動回転させても、支持加圧ローラ４６とベルト４７が滑ってベルト４７は回転しない。これはベルト４７が張り回された状態で固まっているため回転させるのに余分な駆動力が必要なのと、支持加圧ローラ４６とベルト４７の密着性が低く摩擦力が小さくなっているためである。電源投入後支持加熱ローラ４１が所定の温度に達したら、もしくは電源投入直後より外部加圧ローラ４２を圧着することによって支持加圧ルーラ４６と外部加圧ローラ４２の大きな荷重（２００〜８００Ｎ）による駆動でベルト４７を回転させ、ベルト４７各部を順次支持加熱ローラ４１に接触させて加熱する。

圧着状態から解除状態への切り替えタイミングの決定は、最も簡易な方法として、圧着状態の継続時間によるものがある。これが第１の実施の形態である。

ベルト４７が安定して回るようになる時間は、ベルト、ローラ、ヒータの構造、配置、出力等定着装置の構成によって異なるため実験によって決めた条件を本体制御部記億装置（コントロール部Ｂ１内）に格納し、制御される。この場合、ベルト温度センサを省くことが可能である。

また、第２の実施の形態は、ベルト温度を検知して、その検知温度結果に基づき、すなわち、ベルト４７が所定の温度に達したら、圧着状態から解除状態へ切り替えを行うことで、温度センサ４１５の位置は実施の形態のように支持加熱ローラ４１等の熱源から離れた位置に置く。これは支持加熱ローラ４１の温度が高いと、ベルト４７の他の部分が低くても、「ベルトの温度が高い」と検知してしまうためである。支持加圧ローラ４６やベルトガイド等にヒータを設けた場合も同じである。

図４は、支持加熱ローラおよび回転検知部の断面を示す図である。

図４において、支持加熱ローラ４１は、両端部が断熱スリーブ４１５を介して定着装置４の枠体４１６に支持されている。

また、支持加熱ローラ４１の一方の端部にはエンコーダ５５が一体に取り付けられ、ベルト４７と同一速度で回転する支持加熱ローラ４１が、正常に（所定の速度で）回転するか否かを光センサ５６で検知し、コントロール部Ｂ１経由で圧着状態の継続か、解除かを判断することができ、外部加圧ローラ４２が圧着解除状態になっても、予備加熱によりベルト４７が軟化して回転が円滑の場合は、圧着解除を継続し、ベルト４７の弾性率が低下せず、変形した状態のままで、ベルト４７の回転が円滑でない状態の場合には、圧着状態が継続されるように制御される。

第３の実施の形態は、加圧手段を一旦解除し、解除状態におけるベルトの回転速度の検知結果により、圧着状態の継続か、否かを制御することを特徴としている。これはコストが高くなるがベルトの回転そのものを検知することでベルト弾性の経時変化やベルトとローラの摩擦力の経時変化等があっても適切な圧着解除の制御が可能である。

図５は、支持加熱ローラの揺動機構を示す図である。

図５において、実施の形態では、支持加熱ローラ４１は、ステイ４０９で一体化された前側、奥側のローラ支持板４０３で不図示の断熱スリーブを介して、両端部が支持されている。また、当該ローラ支持板４０３は定着器枠体４１６（図４参照）に支持された回動軸４０１に支持され、バネ４０２によって前記回動軸４０１を支点として回動可能で、定着ベルト４７に張力を与えている。

前記ローラ支持板４０３の一方の端部４０４は光学スイッチ４０６と係合し、ローラ支持板４０３の回動によって光スイッチ４０６がＯＮ、ＯＦＦする。

ここで、ベルト４７が冷却した状態での変形を維持している条件では、外部加圧ローラ４２で加圧しても、支持加熱ローラ４１の位置変動が起きる。すなわち、ベルトが進行方向に大きく波を打った状態となり、支持加熱ローラ４１の位置が変動すると同時に、ローラ支持板４０３は回動軸４０１を支点として変動し、光スイッチ４０６がＯＮ、ＯＦＦ動作を繰り返す。例えば予熱によりベルト４７が軟化して、この変動が十分小さくなったことをもって、外部加圧ローラ４２の圧着を解除することができる。

この方法においては、光スイッチ４０６の位置を適切に選ぶことで、支持加熱ローラ４１の位置が安定したときに、すなわち、ベルト４７が安定して回転したときに光スイッチ４０６がＯＮ／ＯＦＦしなくなる。このＯＮ／ＯＦＦがなくなったら圧着を解除する。あるいは、ベルト４７の変形が多少残っていても、変形が所定量以下で、ベルト４の回転に支障がない場合、ＯＮの時間がある程度短くなったら解除してもよい。この時のＯＮ時間は実験によって決められる。また、ベルト４７の回転が安定した場合、光スイッチ４０６がＯＮになるかＯＦＦになるかの決定は任意である。

図６は、ベルト回転が安定して、光スイッチ出力がＯＦＦである場合の出力変化を示す図である。

図６において、Ｔはベルトの周期、αはＯＮ／ＯＦＦがなくなったら圧着を解除する場合、βはＯＮの時間が、ある程度短くなったら解除する場合のタイミングの一例を示している。

支持加熱ローラ４１の位置変動もベルトの経路形状や張力、ベルト構成等によって異なるため、実験によって解除状態での回転可能な位置変動の限界条件を求めることができる。

第４の実施の形態は、定着ベルトに張力を付与している部材の位置変動量の検知結果に基づいて、圧着状態の継続か、否かを制御することを特徴としている。

以上、本発明のような構成をとることで、耐熱性、耐久性に優れるが、冷却時に張架されている形状履歴が残るポリイミドなどの耐久樹脂を基体とするベルトを、加圧ローラで挟持、圧着しないで駆動し、ベルトと加圧ローラの温度を独立に制御し、かつ予熱動作時間の増大を避けることができる。

なお、定着ベルトはＡ４幅で１０〜１００Ｎ程度の張力が好ましく、本実施の形態においては、厚み９０μｍのポリイミド基体に、２００μｍのシリコーンゴムと３０μｍのＰＦＡチューブを被覆し、３０Ｎの張力で展張されている。表面の離型層をＰＦＡやＰＴＦＥのコーティングとしたり、基体や弾性層を他の耐熱材料で構成することも可能である。

以下、第１の発明の実施の形態に基づいて、定着装置の駆動プロセスについて説明する。

機械停止時は外部加圧ローラ４２はベルトから解除され、外部・支持加圧ローラ対の弾性層の経時変化を軽減しているが、ローラの弾性層が十分な耐久性能を有すれば、圧着したままでもよい。

画像形成装置の立ち上げ時には、支持加熱ローラ４１、外部加圧ローラ４２のヒータ４５、５０に通電され、所定の温度（実施の形態では１２０°Ｃ）まで支持加熱ローラ４２が昇温したところで、外部加圧ローラ４２を支持加圧ローラ４６に圧着し、支持加圧ローラ４６に、もしくは支持加圧ローラ４６と外部加圧ローラ４２双方への駆動入力により、ベルト、ローラを回転駆動させる。ベルトの各領域は主たる加熱手段である支持加熱ローラ４１に順次接触し、支持加熱ローラ４１から熱供給を受け昇温する。回転駆動開始後、所定時間（本実施の形態では１２０秒）が経過したら、外部加圧ローラ４２の圧着を解除する。ベルト温度は概ね１５０°Ｃに達しており、昇温による弾性率の低下と圧着駆動による変形緩和により、ベルトにかかった張力によって生じた支持加圧ローラ４６との摩擦力だけで駆動される。

給紙ガイドから定着領域に搬送されてきたトナー画像を保持した転写材を、先ず、ベルト４７と外部加圧ローラ４２との補助ニップ部で予備加圧・加熱し、次に、圧着された外部加圧ローラ４２と支持加圧ローラ４６との主ニップ部でベルト４７の持つ熱と加圧ローラ対による圧力によってトナー像は転写材に定着される。

本実施の形態においては、圧着を外部加圧ローラ４２の軸位置を移動しているが、支持加圧ローラ４６の軸位置を移動してもよい。また、ベルト基体が耐熱樹脂である場合について説明したが、金属或いは複合材料で構成される場合でも、基体もしくは弾性層等の形状履歴が残る場合には有効である。

また、本実施の形態のように、駆動を入力するローラに対するベルトの巻付き角が小さい場合に、本発明の効果は特に大きいが、２つのローラにベルトを巻きかけた構成（２つのローラの外径比によるが巻付き角は概ね１８０°）でもその効果は大きい。

画像形成装置の全体構成の一例を示す模式図である。定着装置の断面を示す拡大略図である。外部圧着ローラと圧着機構を示す断面図である。支持加熱ローラおよび回転検知部の断面を示す図である。支持加熱ローラの揺動機構を示す図である。ベルト回転が安定して、光スイッチ出力がＯＦＦである場合の出力変化を示す図である。

符号の説明

１画像形成手段
４定着装置
４１支持加熱ローラ
４２外部加圧ローラ
４３圧着機構
４５、５０ハロゲンヒータ
４６支持加圧ローラ
４７定着ベルト
４０３、４３０ローラ支持板
４０６光スイッチ
４３１支持軸
５５エンコーダ
５６光センサ
Ｂ１コントロール部

Claims

加熱手段と、前記加熱手段にて加熱されるベルトと、前記ベルトの内側に配置され駆動力を伝達するローラと、前記ローラに対向して前記ベルトを介して設けられた加圧手段と、を有し、未定着トナー画像を担持した転写材を前記ローラと前記加圧手段によって挟持圧着して定着するベルト方式の定着装置を有する画像形成装置において、
前記ベルトの予熱動作中に、前記加圧手段が前記ベルトに圧着することなく前記ローラとの摩擦力だけで駆動することができる所定の状態に達したか否かを検知する検知手段と、
前記検知手段の検知結果に応じて前記加圧手段をベルトへの圧着状態から圧着解除状態へ切替えるよう制御する制御手段と、
を有することを特徴とする画像形成装置。
前記検知手段は、予熱動作中の圧着状態継続時間が、前記ベルトが前記ローラとの摩擦力だけで駆動することができる状態になるように事前に設定された時間が経過したか否かを検知することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
前記検知手段は、予熱動作中の前記ベルトの温度検知結果が、前記ベルトが前記ローラとの摩擦力だけで駆動することができる状態になるように設定された所定の温度に達したか否かを検知することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
前記検知手段は、予熱動作中に前記加圧手段を一旦解除し、圧着解除状態における前記ベルトの走行速度検知結果が、前記ベルトが前記ローラとの摩擦力だけで駆動することができる状態になるように設定された所定の速度に達したか否かを検知することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
前記検知手段は、予熱動作中の前記ベルトに張力を付与している部材の位置変位量検知結果が、前記ベルトが前記ローラとの摩擦力だけで駆動することができる状態になるように設定された所定の変位量以下に達したか否かを検知することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
前記ベルトはポリイミドからなる層を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の画像形成装置。
前記加熱手段は、前記ベルトの内側に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の画像形成装置。
前記加圧手段は予熱中、所定の温度に達したら前記圧着状態となるよう制御され、圧着状態の後、前記圧着解除状態への切替動作が行われることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の画像形成装置。
前記ベルトは電源投入直後は、前記ローラと前記加圧手段によって前記圧着状態で回転駆動され、前記圧着状態の後、前記圧着解除状態への切替動作が行われることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の画像形成装置。