JP5077217B2

JP5077217B2 - 定着装置および画像形成装置

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Publication number: JP5077217B2
Application number: JP2008318762A
Authority: JP
Inventors: 浩二山本; 文雄増田
Original assignee: Konica Minolta Business Technologies Inc
Current assignee: Konica Minolta Business Technologies Inc
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-12-15
Also published as: JP2010139981A

Description

本発明は、記録シート上に形成された未定着画像を記録シートに熱定着させる定着装置およびこれを備えた画像形成装置に関する。

複写機、プリンタ、ファクシミリ、これらの複合機等の画像形成装置では、通常、画像データに対応したトナー画像を形成して記録シートに転写し、転写されたトナー画像を定着装置によって記録シートに定着させる構成になっている。
図１２は、一対のベルトを用いて定着ニップを形成する定着装置の構成を説明するための断面模式図である。この定着装置７０では、トナー画像が転写されて上方に向って搬送される記録シートＳを左右方向から加圧する一対の第１ベルト７１および第２ベルト７２を備えている。図１２においては、第１ベルト７１と第２ベルト７２とを相互に離間させた状態で示しているが、実際の定着装置７０では、第１ベルト７１および第２ベルト７２は、記録シートＳの搬送方向上流側（下側）部分同士および下流側（上側）部分同士がそれぞれ圧接されて、第１ベルト７１および第２ベルト７２における相互に対向するベルト部分の間に定着ニップが形成されている。第１ベルト７１は、記録シートＳの搬送方向上流側に配置された第１上流側ローラ７３と、記録シートＳの搬送方向下流側に配置された第１下流側ローラ７４とに所定の引っ張り力（ベルトテンション）が加わった状態で巻き掛けられており、例えば、第１下流側ローラ７４が駆動モータによって回転駆動されることにより、矢印Ｂで示す方向に周回移動される。第１上流側ローラ７３の内部には、直線状に形成されたヒータランプ７７が、軸方向に沿って配置されている。

第１上流側ローラ７３および第１下流側ローラ７４は、等しい半径ｒ１をそれぞれ有しており、相互に平行に配置されている。第１上流側ローラ７３は、第１ベルト７１に記録シートＳの搬送方向に沿った所定のベルトテンションＦ１が加わるように、テンションばね（図示せず）によって下方に付勢されている。
第２ベルト７２は、記録シートＳの搬送方向上流側（下側）に配置された第２上流側ローラ７５と、記録シートＳの搬送方向下流側（上側）に配置された第２下流側ローラ７６とに巻き掛けられて矢印Ｃで示す方向に周回移動するようになっている。第２上流側ローラ７５および第２下流側ローラ７６も、第１上流側ローラ７３および第１下流側ローラ７４と同じ半径ｒ１をそれぞれ有しており、相互に平行に配置されている。第２上流側ローラ７５も、第２ベルト７２に記録シートＳの搬送方向に沿ったベルトテンションＦ１が加わるように、テンションばね（図示せず）によって下方に付勢されている。

第２上流側ローラ７５および第２下流側ローラ７６は、それぞれ、第２ベルト７２および第１ベルト７１を介して、第１上流側ローラ７３および第１下流側ローラ７４に、等しい圧力Ｐ１によってそれぞれ押し付けられており、第１上流側ローラ７３と第２上流側ローラ７５とによって加圧された第１ベルト７１と第２ベルト７２との間に上流側ニップ部が形成され、第１下流側ローラ７４と第２下流側ローラ７６とによって加圧された第１ベルト７１と第２ベルト７２との間に下流側ニップ部が形成されている。上流側ニップ部および下流側ニップ部は、略等しいニップ圧になっている（図１３参照）。上流側ニップ部および下流側ニップ部の間には、第１ベルト７１および第２ベルト７２の相互に対向するベルト部分同士が同方向に等しい速度で走行するフリーニップ部になっている。

このような構成の定着装置７０では、トナー画像が転写された記録シートＳが上流側ニップ部内に進入し、フリーニップ部を通過した後に、下流側ニップ部を通って排出される。記録シートＳが上流側ニップ部、フリーニップ部、下流側ニップ部のそれぞれを通過する間に、記録シートＳ上の未定着のトナー画像は、ヒータランプ７７によって加熱されて溶融状態とされ、記録シートＳに加圧されることにより熱定着される。

図１３は、このような定着装置における上流側ニップ部、フリーニップ部および下流側ニップ部のそれぞれにおけるニップ圧の分布を示すグラフである。フリーニップ部では、第１ベルト７１および第２ベルト７２によるベルトテンションによってそれぞれのベルト部分同士が相互に接するように構成されているものの、ニップ圧がほとんど発生していない状態になっている。記録シート上のトナー画像は、上流側ニップ部〜下流側ニップ部を経て定着が完了し、フリーニップ部を通過する際には、トナー粒子は溶融状態にある。そのため、フリーニップ部にニップ圧がほとんどなければベルトあるいは記録シートＳが振動することにより、下流側ニップ部に達するまでの間にトナー画像がずれる画像ずれを起こすおそれがある。また、フリーニップ部を通過する記録シートＳに十分な圧力が加わらないことによって記録シートＳが振動すると、下流側ニップ部内に導入される際に、記録シートＳにしわが生じるおそれもある。

特許文献１には、図１２に示す定着装置７０と概略同様の構成において、第２下流側ローラ７６の内部にもヒータを設けて、記録シートＳ上の両面にそれぞれ転写された未定着のトナー画像を定着させる際に画像欠陥が発生することを抑制する構成が開示されている。また、特許文献２には、図１２に示す定着装置７０と概略同様の構成において、第１下流側ローラ７４を冷却して、トナーの接着力により記録シートＳにしわが発生することを防止する構成が開示されている。しかし、これら特許文献１および２のいずれの構成でも、相互に対向するベルト部分によってフリーニップ部が形成されているにすぎず、第１ベルト７１および第２ベルト７２のベルトテンションだけではフリーニップ部において十分なニップ圧が得られないために、画像ずれ、記録シートＳのしわの発生等を確実に防止することができない。

特許文献３、４、５のそれぞれには、フリーニップ部におけるニップ圧を増加させるために、第１ベルトの内周面を加圧パッドによって押圧して第１ベルトの外周面を第２ベルトの外周面に圧接させる構成の定着装置が開示されている。
特開平１１−１７４８７８号公報特開２００１−１５４５１６号公報特開２００７−２１９１０９号公報特開２００７−３２４７６号公報特開２００７−２４０６２２号公報

上記特許文献３〜５のそれぞれに開示されているように、第１ベルトの内周面を加圧パッドによって押圧することにより、第１ベルトと第２ベルトにおける相互に対向するベルト部分同士を相互に圧接することができ、これによりニップ圧を高めることができる。しかしながら、加圧パッドが第１ベルトの内周面に摺接するために、加圧パッドおよび第１ベルトが経時的に摩耗するおそれがある。このために、所望のニップ圧を長期にわたって安定的に得ることができないおそれがある。また、加圧パッドによって第１ベルトの内周面を押圧すると、加圧パッド自体の熱容量によって第１ベルトを加熱するために必要とされる熱量が増加し、定着ニップ部を所定温度に上昇させるための加熱時間（ウォーミングアップ時間）が長くなるおそれもある。

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、相互に対向する一対のベルト間におけるニップ部において、ベルト内周面を押圧する部材を設けることなく、高いニップ圧を長期にわたって安定的に確保することができ、しかも、ウォーミングアップ時間を短縮することができる定着装置およびこれを備える画像形成装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に係る定着装置は、一対の第１ローラのみによって周回移動可能に支持された第１ベルトと、一対の第２ローラのみによって周回移動可能に支持された第２ベルトとが相互に圧接することによって形成された定着ニップを、記録シートが通過する間に、該記録シート上に形成された未定着画像を加熱および加圧することによって熱定着させる定着装置であって、前記第１ベルトは、前記第２ベルトと離間状態としたとき、前記一対の第１ローラの間における相互に対向するそれぞれのベルト部分が外側に突出した湾曲状態で走行可能な剛性を有し、前記第２ベルトは、前記第１ベルトよりも低い剛性であって、前記第１ベルトが押し付けられることによって撓む剛性を有するベルトであり、前記一対の第２ローラの間の一方のベルト部分が、前記第１ベルトの外側に突出した一方のベルト部分と相互に圧接することによって、該一方のベルト部分に沿って凹状に湾曲した状態で走行することを特徴とする。

また、本発明に係る画像形成装置は、記録シート上に形成された未定着画像を定着部により熱定着する画像形成装置であって、前記定着部として、前記定着装置を備えることを特徴とする。

本発明の定着装置では、第１ベルトの剛性によって、第１ベルトのベルト部分に圧接された第２ベルトのベルト部分が凹状に湾曲した状態で走行しており、第１ベルトおよび第２ベルトにおけるそれぞれの湾曲状態になったベルト部分同士が相互に圧接されて定着ニップが形成されているために、定着ニップを形成するための加圧パッド等の特別な部材が必要でなく、定着ニップにおいて高いニップ圧を長期にわたって安定的に確保することができる。しかも、加圧パッド等の特別な部材が不要なので、定着装置における熱容量を低減することができ、ウォーミングアップ時間を短縮することができる。

好ましくは、前記記録シートの未定着画像が、前記第１ベルトの周回移動域の内部であって前記一対の第１ローラの間に設けられた加熱手段によって加熱されることを特徴とする。
好ましくは、前記加熱手段は、ヒータランプまたは電熱線ヒータであることを特徴とする。

好ましくは、前記記録シートの未定着画像が、電磁誘導加熱方式の加熱手段によって加熱されることを特徴とする。
好ましくは、前記一対の第１ローラのそれぞれと、前記一対の第２ローラのそれぞれとが、前記第１ベルトおよび前記第２ベルトを介して相互に圧接されていることを特徴とする。

図１は、本発明に係る定着装置を定着部として使用したタンデム型カラーデジタルプリンタ（以下、単に「プリンタ」という。）の構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施の形態におけるプリンタ１は、トナー画像を形成する画像プロセス部３０と、記録シートＳを画像プロセス部３０に搬送して画像プロセス部３０にて形成されたトナー画像を転写するシート搬送部４０と、記録シートＳ上に転写されたトナー画像を記録シートＳに定着させる定着部を構成する定着装置５０とを備えている。プリンタ１は、ネットワーク（例えば社内ＬＡＮ）等に接続された端末装置からプリントの実行指示（プリントジョブ）を受け付けると、その指示に従って、記録シートＳ上にトナー画像を形成する。

画像プロセス部３０は、矢印Ａで示す方向に周回移動する中間転写ベルト３６と、中間転写ベルト３６の下方において、中間転写ベルト３６の周回移動方向に沿ってそれぞれが上流側から順番に配置された画像形成ユニット３９Ｙ、３９Ｍ、３９Ｃ、３９Ｋと、各画像形成ユニット３９Ｙ、３９Ｍ、３９Ｃ、３９Ｋにレーザ光Ｌをそれぞれ照射する露光装置２１とを備えている。中間転写ベルト３６は、画像形成ユニット３９Ｙに近接して配置された従動ローラ３７と、画像形成ユニット３９Ｋに近接して配置された駆動ローラ３８とに巻き掛けられており、駆動ローラ３８が図示しないモータによって回転駆動されることにより、矢印Ａで示す方向に周回移動する。中間転写ベルト３６は半導電性を有している。

中間転写ベルト３６の移動方向上流側に配置された画像形成ユニット３９Ｙは、感光体ドラム３１Ｙを備えており、公知の帯電、露光、現像の各工程を経て感光体ドラム３１Ｙ上にイエロー（Ｙ）の色のトナー画像を形成する。このために、画像形成ユニット３９Ｙには、感光体ドラム３１Ｙの外周面を帯電する帯電器３２Ｙと、帯電された感光体ドラム３１Ｙの外周面に露光装置２１から照射されるレーザ光Ｌによって形成された静電潜像をＹ色のトナーによって現像する現像器３３Ｙと、感光体ドラム３１Ｙの外周面に形成されたトナー画像を中間転写ベルト３６に転写する１次転写ローラ３４Ｙと、トナー画像が転写された後に感光体ドラム３１Ｙの表面を清掃するクリーナ３５Ｙとが感光体ドラム３１Ｙの回転方向に沿って順番に設けられている。

他の画像形成ユニット３９Ｍ、３９Ｃ、３９Ｋも、画像形成ユニット３９Ｙと同じ構成になっており、感光体ドラム表面を帯電する帯電器と、露光装置２１から照射されるレーザ光Ｌにより静電潜像をトナー現像する現像器と、トナー画像を中間転写ベルト３６に転写する１次転写ローラと、感光体ドラム表面を清掃するクリーナとがそれぞれ設けられており、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の色のそれぞれのトナーによってトナー画像を形成する。

各画像形成ユニット３９Ｙ、３９Ｍ、３９Ｃ、３９Ｋに設けられた帯電器としては、コロナ放電方式の帯電チャージャ、ローラ状の帯電部材、ブレード状の帯電部材、ブラシ状の帯電部材等を使用することができる。また、露光装置２１には、Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋの各色の画像データに対応した駆動信号によって駆動されるレーザダイオード等の発光素子がそれぞれ設けられており、各発光素子から各画像形成ユニット３９Ｙ、３９Ｍ、３９Ｃ、３９Ｋの感光体ドラム（３１Ｙ等）にレーザ光Ｌが照射される。

本実施形態のプリンタ１では、１色（例えばＫ色）のトナーを用いてモノクロ画像を形成するモノクロモードと、Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋの４色のトナーを用いてカラー画像を形成するカラーモードとに切り替え可能になっている。カラーモードによる画像形成動作の場合には、各画像形成ユニット３９Ｙ、３９Ｍ、３９Ｃ、３９Ｋにおいて、所定の周速度で回転駆動されている感光体ドラム（３１Ｙ等）の外周面に形成されたＹ、Ｍ、Ｃ、Ｋの各色のトナー画像が、各画像形成ユニット３９Ｙ、３９Ｍ、３９Ｃ、３９Ｋの１次転写ローラ（３４Ｙ等）によって、中間転写ベルト３６における同一領域上にそれぞれ重ねて転写される。モノクロモードによる画像形成動作の場合には、選択された１つの画像形成ユニットにて形成されたトナー画像が中間転写ベルト３６における所定領域上に転写される。

なお、中間転写ベルト３６上に転写されることなく、感光体ドラム（３１Ｙ等）の外周面に残留しているトナーは、感光体ドラム（３１Ｙ等）の回転によってクリーナ（３５Ｙ等）との接触部に達すると、クリーナ（３５Ｙ等）によって感光体ドラムの外周面から除去される。クリーナ（３５Ｙ等）としては、板状のブレード、固定ブラシ、回転ブラシ、ローラ、またはそれら複数の部材を組み合わせたものを使用することができる。また、このようなクリーナを設けることなく、感光体ドラム（３１Ｙ等）の外周面に残留するトナーを現像器（３３Ｙ等）によって回収するクリーナレス方式を採用することもできる。

中間転写ベルト３６の上方には、各画像形成ユニット３９Ｙ、３９Ｍ、３９Ｃ、３９Ｋの現像器（３３Ｙ等）に供給されるＹ、Ｍ、Ｃ、Ｋの各色のトナーが収容されたホッパー２２Ｙ、２２Ｍ、２２Ｃ、２２Ｋがそれぞれ設けられており、各ホッパー２２Ｙ、２２Ｍ、２２Ｃ、２２Ｋに収容された各色のトナーが各画像形成ユニット３９Ｙ、３９Ｍ、３９Ｃ、３９Ｋの現像器（３３Ｙ等）に補給される。

記録シートＳを搬送するシート搬送部４０は、露光装置２１の下側に着脱可能に設けられた給紙カセット４１と、給紙カセット４１から繰り出される記録シートＳを、中間転写ベルト３６の側方およびその上方の定着装置５０に向けて搬送するシート搬送経路４２とを備えている。給紙カセット４１内には、記録シートＳとして記録用紙等の記録媒体が積載状態で収容されており、最上部の１枚の記録シートＳが給紙ローラ４３の回転によってシート搬送経路４２内に繰り出される。

シート搬送経路４２内には、中間転写ベルト３６を周回移動させる駆動ローラ３８に中間転写ベルト３６を介して対向する２次転写ローラ４５が設けられており、駆動ローラ３８の周面に沿った中間転写ベルト３６の周回移動域と２次転写ローラ４５との間に転写ニップが形成されており、この転写ニップが記録シートＳ上にトナー画像を転写する２次転写部４６になっている。中間転写ベルト３６上に転写されたトナー画像は、２次転写ローラ４５によって、シート搬送経路４２内を上方に向って搬送される記録シートＳに２次転写される。

シート搬送経路４２内における２次転写部４６の下方には、給紙カセット４１から繰り出された記録シートＳを２次転写部４６に所定のタイミングで搬送するレジストローラ対４４が設けられている。レジストローラ対４４は、記録シートＳを２次転写部４６に搬送するタイミングを、中間転写ベルト３６上に転写されたトナー像が２次転写部４６に搬送されるタイミングに一致するように制御する。レジストローラ対４４によって所定のタイミングで２次転写部４６に搬送される記録シートＳは、２次転写部４６において中間転写ベルト３６上に形成されたトナー画像が転写されて、２次転写部４６の上方に配置された定着装置５０へと搬送される。

なお、２次転写後の中間転写ベルト３６は、中間転写ベルト３６を介して従動ローラ３７に対向配置されたクリーニングブレード２３によって清掃される。
定着装置５０は、第１ベルト５１と、第２ベルト５２とを備えており、下方の２次転写部４６において記録シートＳに２次転写されたトナー画像は、当該記録シートＳが上方に向って搬送されて第１ベルト５１および第２ベルト５２における相互に圧接されたベルト部分の間の定着ニップを通過する際の加熱及び加圧によって当該記録シートＳに熱定着される。定着装置５０を通過した記録シートＳは、排紙ローラ６１によって、画像プロセス部３０の上方に設けられた排紙トレイ６２上へ排出される。

図２は、定着装置５０の構成を説明するための模式図である。図２に示すように、定着装置５０の第１ベルト５１および第２ベルト５２は、２次転写部４６においてトナー画像が転写されて上方に向って搬送される記録シートＳを左右方向から挟むようにして加圧するようになっている。図３は、第１ベルト５１と第２ベルト５２とを相互に離間させた状態を示している。第１ベルト５１は、自然状態で横断面円形の円筒状を維持する所定の剛性を有する無端ベルトであり、図３に示すように、記録シートＳの搬送方向上流側（下側）に配置された第１上流側ローラ５３と、この第１上流側ローラ５３に平行な状態で記録シートＳの搬送方向下流側（上側）に配置された第１下流側ローラ５４とに、所定の引っ張り力（ベルトテンション）が加えられて巻き掛けられることによって略楕円形状を維持して周回移動することができる剛性を有している。第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４は、相互に等しい半径ｒをそれぞれ有しており、同じＸ軸座標位置（水平方向位置）になるようにＹ軸方向（垂直方向）に並んだ状態で、所定の軸間距離Ｄをあけて配置されている。第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４に所定のベルトテンションで巻き掛けられた第１ベルト５１は、第２ベルト５２とは離間した状態では、第１上流側ローラ５３と第１下流側ローラ５４との間における相互に対向するベルト部分が、張架前の自然状態に戻ろうとする力（復元力）により、第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４の共通接線Ｌ１よりもそれぞれ同じ突出量（撓み量）δで外側に突出した湾曲状態で走行する。第１ベルト５１は、記録シートＳのトナー画像が転写された面に対向するように配置されており、例えば、第１下流側ローラ５４が駆動モータによって回転駆動されることにより、図３に矢印Ｍで示す方向に周回移動する。

第１ベルト５１の周回移動域の内部における第１上流側ローラ５３と第１下流側ローラ５４との中間位置には、直線状に形成された円柱状のヒータランプ５７が、第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４に平行な状態で配置されている。ヒータランプ５７としては、ハロゲンヒータ、カーボンヒータ、キセノンランプヒータ等を用いることができる。また、このようなヒータランプ５７に限らず、直線状に形成された電熱線ヒータも用いることができる。

第２ベルト５２は、第１ベルト５１よりも低い剛性であって第１ベルト５１が押し付けられることによって撓む剛性（可撓性）を有する無端ベルトであり、記録シートＳの搬送方向上流側（下側）に配置された第２上流側ローラ５５と、この第２上流側ローラ５５に平行な状態で記録シートＳの搬送方向下流側（上側）に配置された第２下流側ローラ５６とに、所定の引っ張り力（ベルトテンション）が加えられた状態で巻き掛けられて、第１ベルト５１とは離間した状態では、第２上流側ローラ５５と第２下流側ローラ５６との間の相互に対向するベルト部分同士が平行な状態で周回移動するようになっている。第２上流側ローラ５５および第２下流側ローラ５６も、第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４の半径に等しい半径ｒをそれぞれ有しており、同じＸ座標位置になるようにＹ軸方向に並んだ状態で、第１上流側ローラ５３と第１下流側ローラ５４との軸間距離Ｄと同じ軸間距離Ｄをあけて配置されている。第２上流側ローラ５５は、第２ベルト５２に、記録シートＳの搬送方向に沿ったベルトテンション（引っ張り力）Ｆが加わるように、第２上流側ローラ５５がテンションばね（図示せず）によって下方に付勢されている。

第２上流側ローラ５５は、第１上流側ローラ５３と同じＹ座標位置になるようにＸ軸方向（水平方向）に並んで配置されて、第１上流側ローラ５３に、所定の圧力Ｐで、第２ベルト５２および第１ベルト５１を介して押し付けられている。第２上流側ローラ５５が第１上流側ローラ５３に押し付けられることによって、第１ベルト５１と第２ベルト５２との間に、Ｘ軸方向に沿った所定のニップ圧Ｐの上流側ニップ部が形成されている。第２下流側ローラ５６も、第１下流側ローラ５４と同じＹ座標位置になるようにＸ軸方向（水平方向）に並んで配置されて、第１下流側ローラ５４に、所定の圧力Ｐで、第２ベルト５２および第１ベルト５１を介して押し付けられている。第２下流側ローラ５６が第１下流側ローラ５４に押し付けられることによって、第１ベルト５１と第２ベルト５２との間に、Ｘ軸方向に沿った所定のニップ圧Ｐの下流側ニップ部が形成されている。この場合、下流側ニップ部のニップ圧Ｐと上流側ニップ部のニップ圧Ｐとが等しくなっている。これにより、図２に示すように、外側に突出した湾曲状態で走行する第１ベルト５１のベルト部分が、このベルト部分に対向する第２ベルト５２のベルト部分に圧接され、第１ベルト５１よりも低い剛性の第２ベルト５２のベルト部分が、第１ベルト５１のベルト部分に沿って凹状に湾曲した状態になる。第２ベルト５２は、第１ベルト５１に圧接されることによって、第１ベルト５１に追従して、図２に矢印Ｎで示す方向に走行する。

この場合、第２ベルト５２が第１ベルト５１よりも低い剛性であって可撓性を有することから、図４に示すように、第１ベルト５１自体の復元力によって、第１ベルト５１の外側に突出する湾曲状態のベルト部分が第２ベルト５２のベルト部分を押圧荷重Ｗで押圧すると、その湾曲形状に沿うように、第２ベルト５２のベルト部分が凹状に湾曲し、その湾曲した第２ベルト５２のベルト部分は、第２ベルト５２自体の反力Ｗによって、第１ベルト５１のベルト部分を押圧する。これにより、上流側ニップ部から下流側ニップ部までの全域において、第１ベルト５１および第２ベルト５２の外周面同士が相互に圧接された中間ニップ部が形成される。この中間ニップ部では、図５に示すように、上流側ニップ部および下流側ニップ部よりも低いニップ圧ではあるが、全体にわたってほぼ一定のニップ圧が確保されている。

第１ベルト５１は、例えば、弾性率（ヤング率）の大きいＮｉ（ニッケル）、鉄、ＳＵＳ（ステンレス）、Ｗ（タングステン）、ＰＩ（ポリイミド）等の材料によって所定の厚さに構成された基材を備えており、横断面が所定の外径を有する円形の円筒状に無端化されている。第１ベルト５１の厚さとしては、例えば、２０〜４００μｍ、より好ましくは１００〜２００μｍとすることができる。第１ベルト５１は、基材の表面（外周面）に、ＰＦＡ、ＰＴＦＡ、ＥＴＦＡ等のフッ素系の樹脂、シリコン系のゴム等のチューブを積層した表層を設けて離型性を付与してもよい。表層は導電性であってもよい。表層は、基材をコーティング処理することによって形成してもよい。表層の厚さは５〜１００μｍ程度が望ましい。表層としては、例えば、三井・デュポンフロロケミカル株式会社製の商品名「ＰＦＡ３５０−Ｊ」、「４５１ＨＰ−Ｊ」、「９５４１ＨＰＰｌｕｓ」等のフッ素系樹脂が好適に用いられる。また、基材と表層との間に中間層を設けてもよい。中間層としては、シリコーンゴム、フッ素ゴム等のように、弾性を有する耐熱性の高い材質であることが好ましい。第１ベルト５１は、第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４に巻き掛けられない状態では、例えば、外径が３０〜１５０ｍｍ程度の円筒であることが好ましい。

第２ベルト５２は、第１ベルト５１が圧接されるベルト部分が凹状に湾曲するように、第１ベルト５１よりも低い所望の剛性を有しており、例えば、ポリイミド樹脂等の耐熱性を有する耐熱層と、この耐熱層の表面（外周面）に積層された離型層との積層構造を有している。離型層は、トナーとの離型性に優れた材料によって構成されており、例えば、フッ素樹脂が使用される。耐熱層の厚みは、例えば３０〜１００μｍとされ、離型層の厚みは例えば３０μｍ程度とされる。なお、第２ベルト５２としては、このような２層構造に限定されるものではなく、耐熱層と離型層との間に1または複数の層が設けられていてもよい。

このような構成の定着装置５０では、２次転写部４６にてトナー画像が転写された記録シートＳが搬送されると、記録シートＳは、第１上流側ローラ５３と第２上流側ローラ５５とによって所定のニップ圧Ｐになった第１ベルト５１と第２ベルト５２との間の上流側ニップ部に進入し、外側に突出する湾曲状態の第１ベルト５１のベルト部分と、凹状に湾曲した第２ベルト５２のベルト部分との間の中間ニップ部を通過した後に、第１下流側ローラ５４と第２下流側ローラ５６とによって所定のニップ圧Ｐになった第１ベルト５１と第２ベルト５２との間の下流側ニップ部を通って排出される。記録シートＳ上のトナー像は、上流側ニップ部、中間ニップ部、下流側ニップ部のそれぞれを通過する間に、ヒータランプ５７によって加熱されて溶融状態とされ、記録シートＳに加圧されることによって熱定着される。

この場合、図５に示すように、中間ニップ部では、その全域にわたってほぼ一定の比較的高いニップ圧が確保されているために、記録シートＳが中間ニップ部の全域において、記録シートＳ上のトナー画像が確実に加圧され、画像ずれが生じることが抑制される。また、中間ニップ部において比較的高いニップ圧が加えられることによって、記録シートＳが振動することも抑制され、下流側ニップ部において記録シートＳにしわが発生することも抑制される。さらには、剛性を有する第１ベルト５１の外側に突出するベルト部分と、これに圧接されて凹状に湾曲される第２ベルト５２のベルト部分との間に作用する押圧力によりニップ圧が確保されるので、従来の加圧パッドのような特別な部材を設ける必要がない。このために、定着装置５０の熱容量が増加するおそれがなく、定着ニップ部を所定温度にまで上昇させるためのウォーミング時間を短縮させることができ、省エネルギー化を促進することができる。

図６は、第１ベルト５１の構成を説明するためのモデル図であり、第２ベルト５２とは離間させた状態での斜視図として示している。第１ベルト５１は、例えば、所定の剛性を有する円筒状の基材の表面に弾性層および離型層を積層して構成されており、第１上流側ローラ５３と第１下流側ローラ５４とに、所定のベルトテンションをかけた状態で巻き掛けられることによって、長軸方向の長さＬ（ｍｍ）、第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４の共通接線Ｌ１に対する突出量（撓み量）δ（ｍｍ）の楕円形状を維持して周回移動する。従って、第１ベルト５１の周方向の長さＳは、第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４の軸間距離Ｄの２倍の長さと、第１上流側ローラ５３の周方向長さの１／２と、第１下流側ローラ５４の周方向長さの１／２とを加えた長さよりも長くなっており、Ｓ＞２Ｄ＋２πｒ／２＋２πｒ／２、従って、Ｓ＞２Ｄ＋２πｒの関係を有している。

この場合、第１ベルト５１のヤング率をＥ（ｍＮ／ｍｍ^２）、第１ベルト５１を第１上流側ローラ５３と第１下流側ローラ５４とに巻き掛けない状態での円筒形状における横断面の外径をφ（ｍｍ）、厚さをｔ（ｍｍ）とすると、次の関係を有していることが好ましい。
Ｅ・ｔ／φ≦２００００００（ｍＮ／ｍｍ^２）・・・（１）
第１ベルト５１は、ヤング率Ｅおよび厚さｔが大きくなると、楕円形状に変形させるために大きなベルトテンションが必要になるが、円筒形状の外径が大きくなると楕円形状に変形させることが容易になる。このことから、第１ベルト５１を所望の楕円形状に変形させて第２ベルト５２を確実に凹状に湾曲させるためには、上記（１）式の関係を有していることが好ましい。２００００００ｍＮ／ｍｍ^２の値は実験的に求められたものである。

また、長軸方向の長さＬｍｍ、突出量δｍｍの楕円形状に変形された第１ベルト５１の湾曲状態になったベルト部分を第２ベルト５２のベルト部分に圧接させることによって第２ベルト５２に加わる押圧荷重Ｗは、梁の撓み量の計算式に基づいて、次式（２）によって求められる。ただし、ｂは、図６に示すように、ベルト幅（ｍｍ）である。
Ｗ＝１０００・３８４・Ｅ・ｂ・ｔ^３・δ／１２・Ｌ^３・・・（２）
このことから、第１ベルト５１の単位幅当たりの押圧荷重Ｗ／ｂ（ｍＮ／ｍｍ）は、次式（３）になる。

Ｗ／ｂ＝１０００・３８４・Ｅ・ｔ^３・δ／１２・Ｌ^３・・・（３）
定着装置では、定着ニップにおけるニップ圧を増加させることによって、トナー画像を溶融させるための定着温度を低くできることが知られている。図７の表は、図２に示す定着装置５０によって、トナー画像（湿式造粒法によって体積平均粒径約６．５μｍのトナーを使用）を普通紙に定着させる場合に、第１ベルト５１による押圧荷重Ｗ／ｂ（ｍＮ／ｍｍ）と定着温度との関係を示している。なお、第２ベルト５２としては、従来の定着装置において一般的に使用されているものと同様に、ポリイミド樹脂製の耐熱層を有するものを使用している。図７の表によれば、第１ベルト５１による単位幅当たりの押圧荷重Ｗ／ｂ（ｍＮ／ｍｍ）の値が１以上になると、定着温度２２０℃よりも低い１９０℃の定着温度で、トナー画像をトナー剥離が生じることのない良好な定着性で定着させることができる。また、押圧荷重Ｗ／ｂ（ｍＮ／ｍｍ）の値が１０以上になると、加圧力が大きくなった分、さらに低い１７０℃以上の定着温度で、良好な定着性でトナー画像を定着させることができる。さらには、押圧荷重Ｗ／ｂ（ｍＮ／ｍｍ）の値が１００以上になると、さらに低い１５０℃の定着温度で、良好な定着性でトナー画像を定着させることができる。従って、楕円形状の第１ベルト５１の単位幅当たりの押圧荷重Ｗ／ｂ（ｍＮ／ｍｍ）が１以上になれば、１９０℃程度の定着温度に設定でき、１０以上になることによりさらに定着温度を下げることでウォームアップ時間を短縮することができ、１００以上になることによって、ウォームアップ時間を著しく短縮することができる。

第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４に楕円形状に巻き掛けられた第１ベルト５１の長軸方向の長さＬ（ｍｍ）は、第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４の半径ｒ、第１上流側ローラ５３と第１下流側ローラ５４との間に配置されるヒータランプ５７の直径、定着装置５０の大きさ等によって制限される。第１ベルト５１の周回移動域内に円柱状のヒータランプ５７を配置するためには、ヒータランプ５７の直径を考慮すると、第１上流側ローラ５３と第１下流側ローラ５４とを１０ｍｍ以上の間隔をあけて配置する必要がある。また、ニップ圧Ｐでベンディングしないように、それぞれの半径として７．５ｍｍ以上が必要である。これらのことから、第１ベルト５１の楕円形状の長軸方向の長さＬｍｍは、前述した第１上流側ローラ５３と第１下流側ローラ５４との最小間隔１０ｍｍと、第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４のそれぞれの最小半径７．５ｍｍとをそれぞれ加えた長さ以上、すなわち、１０ｍｍ＋７．５ｍｍ＋７．５ｍｍ＝２５ｍｍ以上とする必要がある。

また、ニップ時間を長くするためにＬを長くすると、定着装置５０全体が大型になって、プリンタ１への搭載性が悪くなり、プリンタ１を小型化することができなくなるおそれがある。以上のことから、楕円形状の第１ベルト５１の長軸方向の長さＬは、３０〜１２０ｍｍの範囲が好ましく、より好ましくは、４０〜１１０ｍｍの範囲である。
第１ベルト５１の厚さｔは、熱容量等を考慮すると、２０〜４００μｍ程度が好ましく、１００〜２００μｍ程度がより好ましい。第１ベルト５１における単位幅当たりの押圧荷重Ｗ／ｂ（ｍＮ／ｍｍ）の値は大きいほど好ましいことから、ヤング率Ｅが高い基材が好ましく、具体的には、ヤング率Ｅが１００，０００Ｎ／ｍｍ^２以上の基材を用いることが好ましい。

図８は、ＰＩ（ポリイミド）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｗ（タングステン）を基材としてそれぞれ用いたベルトを、厚さｔが３５μｍ、１２５μｍ、２５０μｍにそれぞれ構成して、突出量δが８ｍｍの楕円形状になるように長軸方向の長さＬ（ｍｍ）を変化させて定着装置５０の第１ベルト５１として使用した場合において、それぞれのベルトの単位幅当たりの荷重Ｗ／ｂ（ｍＮ／ｍｍ）の変化を示している。なお、厚さ１２５μｍのＮｉを基材として用いたベルトについては、突出量δがそれぞれ３ｍｍおよび１５ｍｍの楕円形状とした場合についても示している。

図８のグラフにおいて、ベルトを長軸方向の長さＬが２５ｍｍ以上の楕円形状とした場合におけるＷ／ｂ（ｍＮ／ｍｍ）の値が１以上の範囲（Ｉ）を破線で示している。この範囲（Ｉ）に含まれないと、前述したように、第１ベルト５１の周回移動域内にヒータランプ５７を配置することができなくなるおそれがあり、また、定着温度を１９０℃まで低くすることができない。ＰＩを基材とした厚さ３５μｍのベルトは、この範囲（Ｉ）にほとんど含まれず、本発明の定着装置５０の第１ベルト５１としては不適切である。

図８のグラフにおいて、ベルトを長軸方向の長さＬが３０〜１２０ｍｍの楕円形状とした場合において、Ｗ／ｂ（ｍＮ／ｍｍ）の値が１０以上となる範囲（II）を二点鎖線で示している。この範囲（II）は、前述したように、楕円形状の長軸方向の長さＬが、ヒータランプ５７を用いて定着装置５０を小型化するために好適な範囲であり、Ｗ／ｂの値についても定着温度を１７０℃まで低くすることができるために、この範囲（II）内に含まれることが好ましい。前述したように、ＰＩが基材の厚さ３５μｍの第１ベルト５１は、範囲（I）内に含まれないために、この範囲（II）内にも含まれていない。

図８のグラフにおいて、ベルトを長軸方向の長さＬが４０〜１１０ｍｍ以上の楕円形状とした場合においてＷ／ｂ（ｍＮ／ｍｍ）が１００以上となる範囲（III）を実線で示している。この範囲（III）は、前述したように、長軸方向の長さＬが、ヒータランプ５７を用いて定着装置を小型化するために最も好ましい範囲であり、Ｗ／ｂの値についても、定着温度を１５０℃まで低くすることができるために、最も好ましい範囲である。この範囲（III）には、ＮｉおよびＷを基材とした厚さ１２５μｍおよび２５０μｍのベルトのそれぞれを、突出量δが８ｍｍの楕円形状とする場合が含まれており、しかも、Ｎｉを基材とした厚さ１２５μｍのベルトは、突出量δが３ｍｍおよび１５ｍｍの楕円形状とした場合も、この範囲（III）に含まれている。従って、本発明の定着装置５０の第１ベルトとしては、ＮｉおよびＷを基材として用いて厚さを１２５μｍ以上とすることが好ましい。

なお、図８に示すグラフを用いることによって、定着装置５０の大きさ等を考量した最適な第１ベルト５１の材料、厚さ、楕円形状の突出量および長軸方向の長さ等を容易に設計することができる。
また、本発明の定着装置５０は、上記実施の形態に限るものではない。例えば、第１上流側ローラ５３と第１下流側ローラ５４との間にのみヒータランプ５７を設ける構成に限らず、ヒータランプ５７とともに別の加熱手段を設けるようにしてもよい。例えば、図９に示すように、第１上流側ローラ５３および第２上流側ローラ５５が、それぞれ中空の芯金を有する構成において、それぞれの芯金内にヒータランプ５８ａおよび５８ｂを、ヒータランプ５７とともに配置してもよい。あるいは、第１上流側ローラ５３および第２上流側ローラ５５のいずれか一方の芯金内にのみヒータランプを配置する構成としてもよい。さらには、図１０に示すように、ヒータランプ５７とともに、第２上流側ローラ５５と第２下流側ローラ５６との間にもヒータランプ５８ｃを設ける構成としてもよい。いずれの構成においても、定着ニップ部の加熱効率を向上させることができるために、ウォーミングアップ時間をより一層短縮することができる。また、ヒータランプに限らず、直線状の電熱線ヒータも用いることができる。

加熱手段としては、ヒータランプ５７、電熱線ヒータ等に限るものではなく、例えば、第１ベルト５１に誘導発熱体を設けるとともに、図１１に示すように、第１ベルト５１における第２ベルト５２の遠方側に位置するベルト部分に対向して、一対の励磁コイル５９を周回移動方向に並べて設けた電磁誘導加熱方式の加熱手段によって第１ベルト５１を加熱してもよい。

さらには、上記の実施形態では、第１下流側ローラ５４を回転駆動させることによって第１ベルト５１を周回移動させて、その周回移動に追従させて第２ベルト５２を周回移動させる構成としたが、このような構成に限らず、第２下流側ローラ５６を駆動モータによって回転させることによって第２ベルト５２を周回移動させて、この第２ベルト５２の周回移動に追従させて第１ベルト５１を周回移動させるようにしてもよい。あるいは、第１上流側ローラ５３または第２上流側ローラ５５を回転駆動させる構成、第１上流側ローラ５３と第１下流側ローラ５４または第２上流側ローラ５５と第２下流側ローラ５６を回転駆動させる構成、４つのローラ５３〜５６の全てを回転駆動させる構成としてもよい。さらには、上記実施の形態では、記録シートＳにおけるトナー画像が定着された面に対向させて第１ベルト５１を配置する構成であったが、第２ベルト５２を記録シートＳにおけるトナー画像が定着された面に対向させて配置するようにしてもよい。

また、第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４のそれぞれと第２上流側ローラ５５および第２下流側ローラ５５のそれぞれとを対向配置する構成に限らず、ニップ圧を確保できる構成であれば、第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４のそれぞれの内側、または、それぞれの外側に、第２上流側ローラ５５および第２下流側ローラ５５のそれぞれを配置する構成であってもよい。また、４本のローラの外径は任意に変更できる。

さらには、本発明に係る定着装置が適用される画像形成装置は、タンデム型カラーデジタルプリンタに限るものではなく、例えば、回転軸の周囲に４つの現像装置を配置し、これら４つの現像装置を、順次、静電潜像担持体に対向させてフルカラー画像を形成する、いわゆる４サイクル方式の画像形成装置、１つの現像装置しか備えていないモノクロ画像形成装置等であってもよい。また、本発明の定着装置は、プリンタに限らず、複写機、ＦＡＸ、ＭＦＰ（Multiple Function Peripheral）等にも適用できる。

本発明は、一対のベルトを用いて未定着画像を加熱および加圧して熱定着させる定着装置において、ベルト内周面に周接する部材を設けることなく高いニップ圧を長期にわたって安定的に確保することができるとともに、ウォーミングアップ時間を短縮することができる。

本発明の実施の形態に係る定着装置が定着部として搭載されたプリンタの全体の構成を示す模式図である。そのプリンタに定着部として備えられた本発明の実施の形態に係る定着装置の構成を説明するための模式図である。その定着装置の構成を説明するために、第１ベルトと第２ベルトとを離間させた状態の模式図である。その定着装置における第１ベルトと第２ベルトとの間の中間ニップ部が高圧力になることを説明するための模式図である。その定着装置における第１ベルトと第２ベルトとの間のニップ部の圧力分布を示すグラフである。その定着装置の第１ベルトの構成を説明するためのモデル図である。その定着装置における第１ベルトの単位幅当たりの押圧荷重Ｗ／ｂ（ｍＮ／ｍｍ）と定着温度との関係示す表である。ＰＩ、Ｎｉ、Ｗをそれぞれ基材として、３５μｍ、１２５μｍ、２５０μｍの厚さｔのベルトを、本発明の定着装置において、突出量δが８ｍｍ、長軸方向の長さＬ（ｍｍ）の楕円形状の周回移動域の第１ベルトとして用いた場合における長軸方向の長さＬ（ｍｍ）と単位幅当たりの荷重Ｗ／ｂ（ｍＮ／ｍｍ）との関係を示すグラフである。本発明の定着装置の他の例を示す模式図である。本発明の定着装置のさらに他の例を示す模式図である。本発明の定着装置のさらに他の例を示す模式図である。従来の定着装置の構成を示す模式図である。その定着装置における一対のベルの間のニップ部の圧力分布を示すグラフである。

符号の説明

３０画像プロセス部
３６中間転写ベルト
３９Ｙ、３９Ｍ、３９Ｃ、３９Ｋ画像形成ユニット
４０シート搬送部
５０定着装置
５１第１ベルト
５２第２ベルト
５３第１上流側ローラ
５４第１下流側ローラ
５５第２上流側ローラ
５６第２下流側ローラ
５７ヒータランプ
５９励磁コイル

Claims

一対の第１ローラのみによって周回移動可能に支持された第１ベルトと、一対の第２ローラのみによって周回移動可能に支持された第２ベルトとが相互に圧接することによって形成された定着ニップを、記録シートが通過する間に、該記録シート上に形成された未定着画像を加熱および加圧することによって熱定着させる定着装置であって、
前記第１ベルトは、前記第２ベルトと離間状態としたとき、前記一対の第１ローラの間における相互に対向するそれぞれのベルト部分が外側に突出した湾曲状態で走行可能な剛性を有し、
前記第２ベルトは、前記第１ベルトよりも低い剛性であって、前記第１ベルトが押し付けられることによって撓む剛性を有するベルトであり、前記一対の第２ローラの間の一方のベルト部分が、前記第１ベルトの外側に突出した一方のベルト部分と相互に圧接することによって、該一方のベルト部分に沿って凹状に湾曲した状態で走行することを特徴とする定着装置。
前記記録シートの未定着画像が、前記第１ベルトの周回移動域の内部であって前記一対の第１ローラの間に設けられた加熱手段によって加熱されることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
前記加熱手段は、ヒータランプまたは電熱線ヒータであることを特徴とする請求項２に記載の定着装置。
前記記録シートの未定着画像が、電磁誘導加熱方式の加熱手段によって加熱されることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
前記一対の第１ローラのそれぞれと、前記一対の第２ローラのそれぞれとが、前記第１ベルトおよび前記第２ベルトを介して相互に圧接されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の定着装置。
記録シート上に形成された未定着画像を定着部により熱定着する画像形成装置であって、
前記定着部として、請求項１〜５のいずれか一項に記載の定着装置を備えることを特徴とする画像形成装置。