JP5854238B2 - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

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Description

本願発明は、加熱器と加圧器との間に形成された定着ニップ領域に、トナー像が転写された記録材を通過させることによって、前記トナー像を前記記録材に定着させる定着装置と、これを備えた画像形成装置とに関する。
従来から、電子写真方式を採用した画像形成装置では、熱源によって加熱される加熱器とこれに当接する加圧器との間の定着ニップ領域に、未定着トナー像が転写された記録紙を搬送し加熱及び加圧することにより、未定着トナー像を記録紙に定着させることが広く行われている。そして、このような定着装置加熱器には、熱容量が小さく、短時間で昇温可能で、エネルギー消費が少ない発熱ベルト等の薄厚の発熱部材が使用されるものが提供されている。
この発熱ベルトの発熱源としては、例えば、通電によりジュール発熱する抵抗発熱体が使用されている。そして、この抵抗発熱体を発熱源とするとともに周回駆動される無端状の定着ベルト(発熱ベルト)の内側に、当該定着ベルトの内径よりも外径が小さい押圧ローラー(定着ローラー)を遊嵌させた加熱器を、定着装置に使用した構成が開示されている(特許文献1参照)。この特許文献1に開示される定着装置は、定着ベルト内側の押圧ローラーを、定着ベルトの外側から加圧ローラーで押圧して定着ニップを形成する、いわゆる「すきまばめ構成」を有する。
特開2009−109997号公報
しかしながら、特許文献1の定着装置は、定着ニップ領域の記録紙搬送方向上流側(定着ニップ領域入口側)において、押圧ローラーに定着ベルトが接触する。定着ニップ領域の記録紙搬送方向下流側(定着ニップ領域出口側)においては、記録紙が低圧状態で加熱されることにより定着後の画像に光沢ムラ等の画像不良が生じる。又、この定着ニップ領域出口側の定着ベルトの傾斜角度(分離角)が小さいことから、定着ニップ領域を通過した記録紙の分離性が悪くなるという問題もあった。
このような問題を鑑みて、本発明は、トナー画像の定着後の記録紙の分離性がよく、エネルギー消費量の小さい定着装置及びこの定着装置を備える画像形成装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の定着装置は、回動可能な定着ベルトと、該定着ベルトの内周面に内接するとともに該定着ベルトの内径より外径が小さい第1定着ローラーと、前記定着ベルトの外周面に外接するとともに該第1定着ローラーとともに前記定着ベルトを挟持して定着ニップ領域を形成する第2定着ローラーとを備える定着装置において、前記定着ベルトの回転中心を、記録紙搬送方向に対して、前記第1定着ローラー及び前記第2定着ローラーの回転中心を結ぶ直線からずれた位置とし、前記定着ベルトの両端を支持して前記定着ベルトの回転位置を規制するとともに前記第1定着ローラーを支持する端部規制部材を有し、前記端部規制部材において前記第1定着ローラーを支持する位置が、前記定着ベルトの回転中心に対応する位置からずれた位置であり、前記端部規制部材が、前記定着ベルトの両端に当接するとともに前記定着ベルトに従動して回転することが可能な回転部材と、当該回転部材を軸支するとともに前記第1定着ローラーを支持する固定部材と、を有することを特徴とする。
このとき、前記定着ベルトの回転中心を、前記第1定着ローラー及び前記第2定着ローラーの回転中心を結ぶ直線から記録紙搬送方向上流側にずれた位置としても構わない
これらの定着装置において、前記端部規制部材に嵌合するとともに前記第1定着ローラーを軸支するベアリングをさらに有し、前記固定部材には、前記第1定着ローラーを支持する位置において、前記ベアリングが嵌合されても構わない。
上述の定着装置において、前記定着ベルトを加熱する加熱機構を備え、前記定着ベルト及び前記第1定着ローラーによって加熱器を構成し、前記第2定着ローラーによって加圧器を構成するものであっても構わない。
このとき、前記定着ベルトが、その両端に電極が設けられるとともに当該電極と電気的に接続される抵抗発熱体を有し、前記定着ベルトの前記抵抗発熱体及び前記電極と、前記定着ベルトの前記電極に当接させた給電部材とによって、前記加熱機構を構成し、前記給電部材によって前記定着ベルトの前記抵抗発熱体に給電して前記定着ベルトを発熱させるものであっても構わない。
又、前記定着ベルト及び前記第1定着ローラーによって加圧器を構成するとともに、
前記第2定着ローラーによって加熱器を構成するものとしても構わない。
本発明の画像形成装置は、記録紙にトナー画像を転写する転写部と、該転写部でトナー画像が転写された前記記録紙を加熱しながら加圧する定着部と、を備える画像形成装置であって、前記定着部を、上述のいずれかの定着装置によって構成することを特徴とする。
本発明によると、記録紙搬送方向に対して、定着ベルトの回転中心を第1定着ローラーの回転中心をずらして配置する。これにより、記録紙搬送方向に対して定着ニップ領域の下流側において、定着ベルトの接線方向の傾斜角度(分離角)を大きくできるため、定着ニップ領域を通過した記録紙の分離不良を防止できる。
は、本発明の画像形成装置の外観斜視図である。 は、図1に示す画像形成装置の内部構成を示す概略構成図である。 は、本発明の第1の実施形態の画像形成装置における定着装置の構成を示す概略斜視図である。 は、図3の定着装置の構成を示す概略断面図である。 は、図3の定着装置における発熱ベルトの構成を示す概略断面図である。 は、図3の定着装置における加熱器の端部構成を示す分解斜視図である。 は、図6における加熱器の端部構成を示す概略断面図である。 は、図3の定着装置に用いられる端部規制部材とベアリングの関係を示す図である。 は、図3の定着装置における発熱ベルト、定着ローラー及び加圧ローラーの関係を示す概略図である。 は、図9の構成を説明するための比較用となる定着装置の構成を示す概略図である。 は、図3の定着装置における発熱ベルト及び定着ローラーそれぞれの回転中心の関係を示す概略図である。 は、本発明の第1の実施形態の画像形成装置における定着装置の構成を示す概略断面図である。 は、図12の定着装置における加圧ベルト、定着ローラー及び加圧ローラーの関係を示す概略図である。 は、図13の構成を説明するための比較用となる定着装置の構成を示す概略図である。 は、第2の実施形態の別の構成例となる定着装置の構成を示す概略断面図である。 は、第2の実施形態の別の構成例となる定着装置の構成を示す概略断面図である。 は、第2の実施形態の別の構成例となる定着装置の構成を示す概略断面図である。 は、第1の実施形態の別の構成例となる定着装置の構成を示す概略断面図である。
以下に、本願発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明で必要に応じて特定の方向や位置を示す用語(例えば「左右」「上下」等)を用いる場合は、図2で紙面に直交する方向を正面視とし、この方向を基準にしている。これらの用語は説明の便宜のために用いたものであり、本願発明の技術的範囲を限定するものではない。
<画像形成装置の全体構成>
以下の各実施形態で共通となる画像形成装置の全体構成について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の画像形成装置の外観斜視図であり、図2は、当該画像形成装置の内部構成を示す概略図である。
図1及び図2に示すように、画像形成装置1は、原稿P1から画像を読み取る画像読取部3と、画像が形成される記録紙P2を収納する給紙トレイ4と、給紙トレイ4から給紙された記録紙P2にトナー画像を転写する転写部5と、転写部5で転写されたトナー画像を記録紙P2に定着させる定着部6と、定着部6で定着されて画像が形成された記録紙P2が排紙される排紙トレイ7と、画像形成装置1への操作を受け付ける操作パネル9と、を備える。この画像形成装置1において、その装置本体2上部に画像読取部3が設けられるとともに、この画像読取部3の下側に画像形成部5が設けられる。
そして、排紙トレイ7が、転写部5及び定着部6で画像記録されて排紙された記録紙P2を受けるために、装置本体2における転送部5の上側に設けられるとともに、給紙トレイ4が、装置本体2における転送部5の下側で挿抜可能に構成される。このように構成されることで、後述するように、給紙トレイ4に収納された記録紙P2が装置本体2内部に給紙された後、上昇搬送されることによって、給紙トレイ4の上部に配置された転送部5で画像が転写されて定着部6で定着された後、画像読取部3と画像形成部5との間の空間(凹みスペース)に設けられた排紙トレイ7に排紙される。
装置本体2上部に設けられる画像読取部3は、原稿P1からの画像を読み取るスキャナー部31と、スキャナー部31の上部に設けられるとともにスキャナー部31に原稿P1を1枚ずつ搬送させる自動原稿搬送部(ADF:Auto Document Feeder)32とを備える。又、装置本体2の正面側(前面側)には、操作パネル9が設けられる。そして、ユーザーは、この操作パネル9の表示画面等を見ながらキー操作をすることで、画像形成装置1の各種機能の中から選択した機能について設定操作をしたり、画像形成装置1に作業実行を指示したりできる。
次に、図2を参照して、装置本体2の内部構造について説明する。装置本体2の上部にある画像読取部3のうちスキャナー部31は、上面側にプラテンガラス(不図示)を有する原稿台33と、原稿P1に対して光を照射する光源部34と、原稿P1からの反射光を画像データに光電変換するイメージセンサー35と、反射光をイメージセンサー35上に結像させる結像レンズ36と、原稿P1からの反射光を順次反射させて結像レンズ36に入射させるミラー群37とを備えている。光源部34、イメージセンサー35、結像レンズ36及びミラー群37は原稿台33の内部に設けられるともに、光源部34及びミラー群37は原稿台33に対して左右方向に移動可能に構成される。
又、スキャナー部31の上面側には、ADF32が原稿台33に対して開閉可能に設けられている。ADF32は、原稿台33のプラテンガラス(不図示)上の原稿P1に覆い被さることによって原稿P1をプラテンガラス(不図示)に密着させる働きも有する。ADF32は、原稿載置トレイ38と原稿排出トレイ39とを備えている。
このような構成の画像読取部3において、原稿台33のプラテンガラス(不図示)上の原稿P1を読み取る場合は、右方向(副走査方向)に移動する光源部34から原稿P1に光が照射される。原稿P1から反射した反射光は、光源部34と同じく右方向に移動するミラー群37で順次反射されて結像レンズ36に入射し、イメージセンサー35上に結像される。イメージセンサー35は、入射光の強さに応じて画素毎に光電変換を実行して、原稿P1の画像に対応した画像信号(RGB信号)を生成する。
一方、原稿載置トレイ38に載置された原稿P1を読み取る場合、当該原稿P1は複数のローラー等で構成される原稿搬送機構40によって読取位置に搬送される。このとき、スキャナー部31の光源部34及びミラー群37は、原稿台33内部の所定位置に固定される。従って、光源部34により原稿P1の読取位置部分に光が照射され、その反射光がスキャナー部31のミラー群37及び結像レンズ36を介してイメージセンサー35上に結像される。そして、イメージセンサー35が原稿P1の画像に対応した画像信号(RGB信号)に変換する。その後、原稿P1は原稿排出トレイ39に排出される。
トナー画像を記録紙P2に転写する転写部5は、Y(Yellow)、M(Magenta)、C(Cyan)、K(Key tone)各色のトナー画像を生成する作像部51と、作像部51それぞれの下方に設けられた露光部52と、水平方向に並んだ各色の作像部51と当接することで作像部51から各色のトナー画像が転写される中間転写ベルト53と、作像部51と中間転写ベルト53を挟持するように各色の作像部51それぞれに対して上側に対向する位置に設けられた一次転写ローラー54と、中間転写ベルト53を回動させる駆動ローラー55と、駆動ローラー55の回転が中間転写ベルト53を通じて伝達することで回転する従動ローラー56と、中間転写ベルト53を挟んで駆動ローラー55と対向する位置に設置される二次転写ローラー57と、中間転写ベルト53を挟んで従動ローラー56と対向する位置に設置されるクリーナー部58とを、備える。
作像部51は、中間転写ベルト53の外周面と当接する感光体ドラム61と、感光体ドラム61の外周面をコロナ放電により帯電させる帯電器62と、攪拌して帯電させたトナーを感光体ドラム61の外周面に付着させる現像器63と、トナー画像を中間転写ベルト53に転写した後に感光体ドラム61の外周面に残留するトナーを除去するクリーナー部64と、を備える。このとき、感光体ドラム61は、中間転写ベルト53を挟んで、一次転写ローラー54と対向する位置に設置されるとともに、図2における時計回りの方向に回転する。そして、感光体ドラム61の周囲には、一次転写ローラー54、クリーナー部64、帯電器62、露光部52、及び現像器63が、感光体ドラム61の回転方向に沿って、順番に配置されている。
又、中間転写ベルト53は、例えば導電性を有する無端状のベルト部材から構成され、駆動ローラー55及び従動ローラー56に緩みの無い状態で巻き掛けられることで、駆動ローラー55の回転に従って、図2において反時計回りの方向に回動する。そして、中間転写ベルト53の周囲には、中間転写ベルト53の回転方向に沿って、二次転写ローラー57、クリーナー部58、YMCK各色の作像部51それぞれが順番に配置されている。
更に、記録紙P2に転写されたトナー画像を定着させる定着部6は、記録紙P2上のトナー画像を定着させるべく加熱する加熱器59と、記録紙P2を加熱器59と共に挟持して記録紙P2を加圧する加圧器60とを備える。
給紙機構8は、給紙トレイ4に収納された記録紙P2を最上層から繰り出す繰り出しローラー81と、繰り出された記録紙P2を1枚ずつに分離する給紙ローラー82及び捌きローラー83による分離ローラー対と、を備える。各給紙トレイ4内の記録紙P2は、対応する繰り出しローラー81、給紙ローラー82及び捌きローラー83の回転駆動によって、最上層のものから1枚ずつ、給紙路R1経由で主搬送路R0に向けて送り出される。主搬送路R0は画像形成(印刷)の工程を経る記録紙P2の主たる通り道である。又、給紙路R1は給紙トレイ4毎に設けられるとともに、各給紙路R1は主搬送路R0に合流している。
装置本体2における左右方向の一側部(実施形態では右側部)には、外部から所定サイズの記録紙P2を給紙可能な手差しトレイ93が設けられている。手差しトレイ93は、装置本体2内にある通常の給紙トレイ4とは別に補助的に設けられたものであり、装置本体2における左右方向の一側部に対して開閉回動可能に取り付けられている。手差しトレイ93上の記録紙P2は、繰り出しローラー等の回転駆動によって、最上層のものから1枚ずつ、手差し給紙路R2経由で主搬送路R0に向けて送り出される。
主搬送路R0のうち、加熱器59及び加圧器60による定着部6よりも下流側には、印刷済の記録紙P2を排出する排紙ローラー対91が配置されている。印刷済の記録紙P2は、排紙ローラー対91の回転駆動によって排紙トレイ7に排出される。
又、このように各部が構成される画像形成装置1の装置本体2内には、更に、片面印刷後の記録紙P2を表裏反転させて両面印刷するための循環搬送部92が設けられている。循環搬送部92は、片面印刷後の記録紙P2を表裏反転させる反転ローラー対と、複数組の両面搬送ローラー対とを備えている。循環搬送部92では、片面印刷後の記録紙P2を表裏反転させ、循環搬送路R3を介して再び主搬送路R0まで搬送させる。この場合、排紙ローラー対91を正逆回転可能に構成することによって、排紙ローラー対91に反転ローラー対の機能を兼用させている。排紙ローラー対91の正逆回転によって、記録紙P2を画像形成装置1外に排出したり、スイッチバック(逆送)して画像形成装置1内に戻したりできる。循環搬送路R3の上流側は、主搬送路R0のうち定着部6と排紙ローラー対91との間から分岐している。循環搬送路R3の下流側は、転写部5の上流側に合流している。
画像形成装置1による印刷動作を簡単に説明する。画像形成装置1は、開始信号や画像信号等を受信して印刷動作を開始する。印刷動作が開始すると、給紙機構8により給紙トレイ4から繰り出された記録紙P2が、主搬送路R0に沿って画像形成部5に搬送される。転写部5及び定着部6はそれぞれ、カラー電子写真方式に基づく記録紙P2への画像の転写及び定着を行うとともに、記録紙P2への画像転写方式として、中間ベルト53を利用した中間転写方式を採用する。
このとき、転写部5において、Y、M、C、K各色の作像部51では、帯電器62によって帯電させた感光体ドラム61の表面に露光部52からレーザー光が照射され、Y、M、C、K各色の画像に対応した静電潜像が形成される。この静電潜像が形成された感光体ドラム61の表面に、現像器63で帯電したトナーが移り、感光体ドラム61にトナー画像が形成される。そして、感光体ドラム61の表面に担持されたトナー画像が、中間転写ベルト53と接触する際、一次転写ローラー54の静電気力によって、中間転写ベルト53に転写されるため、中間転写ベルト53の表面に、Y、M、C、K各色が重なったトナー画像が形成される。一方、トナー画像を中間転写ベルト53に転写した感光体ドラム61に残った未転写トナーは、クリーナー部64にて掻き取られ、感光体ドラム61上から取り除かれる。
中間転写ベルト53に転写されたトナー画像は、駆動ローラー55及び従動ローラー56によって中間転写ベルト53が回転することで、二次転写ローラー57と当接する転写位置まで移動し、主搬送路R0上の転写位置まで搬送される記録紙P2に転写される。トナー画像を記録紙P2に転写した中間点転写ベルト53に残った未転写トナーは、クリーナー部58にて掻き取られ、にて掻き取られ、中間点転写ベルト53上から取り除かれる。又、二次転写ローラー57との当接位置でトナー画像が転写された記録紙P2は、加熱器59及び加圧器60による定着部6に搬送される。
片面に未定着トナー像を載せた記録紙P2は、定着部6の定着位置を通過する際に、加熱器59による加熱及び加圧器60による加圧が施されて、未定着トナー像が紙面に定着される。そして、片面印刷の場合、トナー像定着後(片面印刷後)の記録紙P2は、排紙ローラー対91により排紙トレイ7に排出される。一方、両面印刷の場合は、片面印刷後の記録紙P2を両面印刷用の循環搬送路R3に搬送して裏返しにし、再び主搬送路R0に戻すことによって、転写部5及び定着部6それぞれを通過する記録紙P2の他面にトナー像を転写及び定着させた後、排紙トレイ7に排出することとなる。
以下の各実施形態の画像形成装置は、上述の画像形成装置1の構成を共通に備えるものであって、上記画像形成装置1における定着部6となる定着装置の構成を異にするものである。従って、以下の各実施形態では、上記画像形成装置1における定着部6として用いられる定着装置の構成について、詳細に説明するものとする。
<第1の実施形態>
本発明の第1の実施形態の画像形成装置について、定着装置の構成を中心に、以下に、図面を参照して説明する。図3は、本実施形態の画像形成装置における定着装置の構成を示す概略図であり、図4は、その概略断面図である。又、図5は、図3の定着装置における発熱ベルトの構成を示す一部断面図である。更に、図6は、図3の定着装置における加熱器の端部構成を示す分解斜視図であり、図7は、その概略断面図である。
本実施形態における定着装置6aは、図3及び図4に示すように、無端ベルトの発熱ベルト11と発熱ベルト11を周回駆動する定着ローラー12とを有する加熱器10と、円筒形の芯金22を軸心として発熱ベルト11を介して定着ローラー12を押圧する加圧ローラー21で構成される加熱器20とを備える。尚、加熱器10及び加圧器20はそれぞれ、上述の画像形成装置1(図1及び図2参照)における加熱器59及び加圧器60に相当する。尚、発熱ベルト11が、特許請求の範囲における「定着ベルト」に相当するとともに、定着ローラー12及び加圧ローラー21それぞれが、特許請求の範囲における「第1定着ローラー」及び「第2定着ローラー」に相当する。
加熱器10は、両端部に電極111が設けられた発熱ベルト11と、発熱ベルト11内側に配置される円筒形の芯金13を軸心とする定着ローラー12と、発熱ベルト11両端の電極111それぞれに当接される2つの給電部材14と、2つの給電部材14それぞれと電気的に接続される電源15と、発熱ベルト11の表面温度を検出するサーモパイル等で構成される温度検出部16と、を備える。一方、加圧器20は、定着ローラー12とで発熱ベルト11を挟持する加圧ローラー21を有し、この加圧ローラー21と定着ローラー12とで発熱ベルト11を加圧する領域が定着ニップ領域となる。
又、加熱器10の発熱ベルト11は、両端部の電極111に挟まれた領域112が、加圧ローラー21と当接する定着ニップ領域N1を形成する。この発熱ベルト11は、図5に示すように、領域112において、その内側から外側に向かって、抵抗発熱体層113、補強層114、弾性層115、及び離型層116を積層した構成となる。そして、発熱ベルト11の両端の電極111が、その外側表面の一部が抵抗発熱体層113に覆われるとともに、この抵抗発熱体層113の両端が、補強層114によって、電極111の外側で覆われる。これにより、発熱ベルト11両端の電極111それぞれが、抵抗発熱体層113を介して電気的に接続される。
このような構成の発熱ベルト11において、電極111は、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、真鍮、リン青銅等の金属等による、導電性の材料に構成される。電極111は、その導電性材料として、電気抵抗率が低く、耐熱性及び耐酸化性に優れた、ニッケル、ステンレス、アルミニウム等を用いることが好ましい。そして、電極111の厚さは、20〜80μmとすることが望ましい。
この電極111と電気的に接続する抵抗発熱体層113は、耐熱性樹脂等の絶縁性材料中に導電性材料を分散させて構成されるものであり、含有する導電性材料の量を調整することで、抵抗発熱体層113の体積抵抗率が調整される。これにより、抵抗発熱体層113は、電極111,112を通じて給電されることにより、その体積抵抗率に基づくジュール熱を発生し、発熱する。又、抵抗発熱体層113の厚さは、任意であるが、30〜150μmが望ましい。更に、抵抗発熱体層113の体積抵抗率は、1.0×10−6〜1.0×10−2Ω・m程度が好ましく、1.0×10−5〜5.0×10−3Ω・m程度とすることが更に望ましい。
この抵抗発熱体層113の耐熱性樹脂として、ポリイミド樹脂、ポリエチレンスルフィド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアラミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ポリエステル−イミド樹脂、ポリフェニレンオキシド樹脂、ポリ−p−キシリレノン樹脂、ポリベンズイミダゾール樹脂等を用いることができ、中でも、高い耐熱性を備えたポリイミド樹脂が好適である。一方、抵抗発熱体層113の導電性材料としては、銀、銅、アルミニウム、マグネシウム、ニッケル等の金属粉末や、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノコイル等の炭素化合物粉末を用いることができ、又、二種類以上の導電性材料を混合して用いてもよい。又、導電性材料は、少ない含有量で材料同士の接触確率を高くし、電気抵抗を均一化させるために、繊維状の形状により構成することが望ましく、炭素化合物粉末を採用する場合は、その体積分率が40〜50vol%であることが好ましい。
この抵抗発熱体層113を製造するために、例えば、まず、芳香族テトラカルボン酸二無水物と芳香剤ジアミンとを有機溶媒中で重合して得られたポリイミド溶液(ポリイミドワニス)に、導電性材料による粉末を均一分散させる。その後、導電性材料を分散させたポリイミド溶液を金型に塗布した後にイミド転化して、抵抗発熱体層113を形成する。このとき、その製造安定性を考慮して、ポリイミド溶液に、イミド化剤、カップリング剤、界面活性剤、消泡剤等を混合しても構わない。尚、抵抗発熱体層113は、その電気抵抗率の調整のために、金属合金、金属間化合物、等の導電性粒子を適度に含有するものであっても構わないし、その機械的強度の向上のために、ガラスファイバー、ウィスカー、酸化チタン、及びチタン酸カリウム等を含有するものであっても構わない。又、抵抗発熱体層113は、熱伝導率の向上のために、窒化アルミやアルミナなどを含有するものであっても構わない。
補強層114は、導電性材料を混合することで強度が低下した抵抗発熱体層113の外側表面を覆うことで、抵抗発熱体層113を補強する。この補強層114は、耐熱性を備えた絶縁材料による絶縁層で構成され、その絶縁材料としては、抵抗発熱体層113と同種の樹脂とすることで、抵抗発熱体層113との接着性を確保できる。又、抵抗発熱体層113の厚さは、5〜100μm程度とすることが好ましい。尚、この補強層114は、その絶縁材料として、抵抗発熱体層113と異なる樹脂材を用いても構わないし、抵抗発熱体層113に十分な強度がある場合は、補強層114の形成を省略しても構わない。
弾性層115は、補強層114又は抵抗発熱体層113の外側表面を覆う層であり、シリコーンゴムやフッ素ゴム等の耐熱性の高いゴム材料によって構成される。この弾性層115の厚さは、10〜800μm、さらに望ましくは100〜300μmの範囲内のものとする。弾性層115の厚さが10μm未以上であれば、厚さ方向の十分な弾力性を得ることができる。又、この厚さが800μm以下であれば、抵抗発熱体層113で発生した熱を発熱ベルト11の外周面まで到達させることが容易であり、良好な伝熱効率が得られる。この弾性層115が設けられることにより、記録紙P2上に形成されたカラー画像の光沢ムラが防止される。
離型層116は、弾性層115の外側表面を覆うべく、発熱ベルト11の最外層として形成される。発熱ベルト11と記録紙P2との離型性を高めるための層である。この離型層116の材料としては、定着温度での使用に耐えられるとともにトナーに対する離型性に優れたものを使用することができる。離型層116は、例えば、PFA(四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合体)、PTFE(四フッ化エチレン)、FEP(四フッ化エチレン・六フッ化エチレン共重合体)、PFEP(四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体)等のフッ素樹脂によるフッ素系チューブ又はフッ素系コーティングにより構成される。
尚、離型層116と抵抗発熱体層113及び電極111との間に弾性層115が介在するため、離型層116を導電性を有する材料で構成してもよい。又、離型層116の厚さは5〜100μm、望ましくは10〜50μmの範囲内のものとするのがよい。更に、離型層116に用いられるフッ素樹脂材料は、水との表面接触角が90°以上、更に望ましくは、110°以上であり、その表面粗さRa(算術平均粗さ)が、0.01〜50μmであることが望ましい。
この発熱ベルト11の電極111に接触する給電部材14は、図3及び図4に示すように、発熱ベルト11の外周側であって、加圧ローラー21と当接する定着ニップ領域N1に対して、記録紙P2の搬送方向下流側となる位置に配置される。即ち、給電部材14の給電ブラシ141の先端が、発熱ベルト11の周回方向に沿って定着ニップ領域N1の下流側(ベルト11の周回経路の最下部近傍に相当する領域)で、発熱ベルト11両端の電極111の外周面と当接する。この給電ブラシ141は、銅黒鉛質又は炭素黒鉛質といったカーボンブラシ等で構成され、その発熱ベルト11の軸方向に沿う幅が、電極111の幅よりも狭い。
又、この給電部材14は、給電ブラシ141を発熱ベルト11の周回経路内側の方向に押圧する付勢部材142を備える。付勢部材142として、例えば、圧縮ばねを用いることができる。この付勢部材142の押圧力により、電極111と給電ブラシ141との接触状態が良好に維持され、電気的接続状態が良好に維持される。更に、給電ブラシ141における発熱ベルト11の周回方向の長さは、電極111との接触面積が給電ブラシ141の許容電流密度を超えない範囲に設定される。そして、給電ブラシ141における電極111との接触面の形状について、発熱ベルト11の曲面に沿った形状とすることで、その接触面積が大きくなるため、電流密度も小さくなる。
給電部材14の給電ブラシ141が、周回する発熱ベルト11両端の電極111との接触を維持することで、電源15による発熱ベルト11への給電がなされる。従って、発熱ベルト11において、電極111と電気的に接続される抵抗発熱体層113に電流が流れることにより、抵抗発熱体層113の抵抗値に基づき、発熱ベルト11がジュール発熱する。又、発熱ベルト11の外側表面温度を検出する温度検出部16は、図1及び図2に示すように、発熱ベルト11の外周側に配置されるサーミスタ、サーモパイル、マルチアレイサーモパイル等で構成される。特に、温度検出部16をマルチアレイサーモパイルで構成した場合、1ユニットで複数箇所の温度を測定できるだけでなく、温度検出のための視野角が広いため、その配置個数を低減できる。
又、発熱ベルト11の周回経路内側には、その定着ニップ領域112を発熱ベルト11の周回経路内側から周回経路外側に向かって押圧するべく、芯金13を軸心とする定着ローラー12が配置されている。定着ローラー12は、図4に示すように、耐熱性と強度を有する材料から成る芯金13の外周面に2つの弾性層121,122が積層されて構成される。このとき、芯金13は、例えば、アルミニウム、鉄、ステンレス等の金属材料により構成される。そして、内側の弾性層121は、フッ素ゴム又はシリコーンゴム等のソリッドゴム層で構成され、外側の弾性層122は、フッ素ゴム又はシリコーンゴム等を発泡させたスポンジゴム層で構成される。
即ち、密度の高い弾性層121を、熱伝導率の低いスポンジゴム層による弾性層122で覆うことにより、発熱ベルト11から定着ローラー12への伝熱が抑制されるとともに、その耐久性を確保できる。この定着ローラー12の表面硬度は、加圧ローラー21の表面硬度より小さく、アスカーC硬度10°〜50°であることが望ましい。又、定着ローラー12の外径は、10〜50mm程度とすることが望ましい。このとき、弾性層121,122それぞれについて、その厚さが1〜20mmの範囲で構成される。
加圧器20を構成する加圧ローラー21は、図4に示すように、芯金22の外周面に弾性層23及び離型層24を順に被覆させた構成を備え、その外径は20〜40mm程度が好ましい。芯金22は、アルミニウム又は鉄等の金属材料からなり、その厚さは、0.1mm〜5mm程度が好ましい。又、弾性層23は、シリコーンゴムやシリコーンスポンジ等の、耐熱性を備えた弾性材料からなり、その厚さは、1mm〜20mmの範囲内が好ましい。更に、離型層24は、フッ素チューブ等の、離型性、耐熱性、及びガスバリア性を備えた材料からなり、その厚さは、5μm〜100μmの範囲内が好ましい。
この加圧ローラー21は、上述のように、その表面硬度が定着ローラー12の表面硬度より大きいため、定着ニップ領域N1において、定着ローラー12が凹形状となる一方で、加圧ローラー21は凸形状となる。定着ニップ領域N1における定着ローラー12と加圧ローラー21それぞれの形状に基づいて、定着ローラー12側の定着ニップ領域N1における搬送方向下流側での分離角が確保される。
上記加熱器10を構成する発熱ベルト11及び定着ローラー12の支持構造について、以下に説明する。発熱ベルト11及び定着ローラー12の両端において、図6及び図7に示すように、発熱ベルト11及び定着ローラー12それぞれを支持する支持部材が設けられる。発熱ベルト11用の支持部材として、発熱ベルト11の端部を把持する端部規制部材17が設置される。端部規制部材17は、その外周側を突起させたリング形状の回転部材17aと、回転部材17aの開口部171への挿入部分となる中心領域を突起させた固定部材17bとにより構成される。又、定着ローラー12用の支持部材として、端部規制部材17の固定部材17bにおける開口部181への挿入部分となる中心領域を突起させたベアリング19が設けられる。
端部規制部材17の内、回転部材17aは、開口部171を備えたリング形状の底板部分172と、この底板部分172の外周を垂直に立ち上げた側壁による突起部173を有する。そして、突起部173は、同心円状となる開口部171の外側に設けられる。一方、固定部材17bは、底面の広い円柱部分(基部)182と底面の狭い円柱部分(突起部)183とを軸心を一致させて重ねた形状を有し、円柱部分182,183それぞれを貫通させた開口部181が設けられる。この開口部181は、その中心が円柱部分182,183の軸心と一致しない位置に設けられる。
このように回転部材17a及び固定部材17bが構成されるとき、端部規制部材17を構成するべく、回転部材17aの開口部171に固定部材17bの円柱部分183が挿入される。このとき、円柱部分182における円柱部分183を突起させた側の面184が、底板部分172と当接するとともに、円柱部分183の外周面が開口部171の内周面と当接することで、回転部材17aが固定部材17bに対して回動可能に軸支される。このとき、発熱ベルト11の外径が、回転部材17aの突起部173の内径と同一又は隙間公差分小さく設定される。又、回転部材17aの開口部171の内径は、固定部材17bの円柱部分183の外径と同一又は隙間公差分大きく設定される。
この回転部材17a及び固定部材17bで構成される端部規制部材17は、回転部材17aの底板部分172における突起部173を突起させた面174により、発熱ベルト11の端部側面の位置を規制される。又、発熱ベルト11の端部外周面の位置が、回転部材17aの突起部173の内周面により規制される。尚、端部規制部材17を構成する回転部材17a及び固定部材17bはそれぞれ、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、液晶ポリマー等の樹脂材料に構成される。
ベアリング19は、定着ローラー12の芯金13の軸心131が挿入される軸受部191を備える。そして、軸受部191の一端面には、その外周に広げたリング形状のフランジ192が設けられる。このベアリング19の軸受部191が、端部規制部材17の固定部材17bにおける開口部181に挿入される。このとき、フランジ192が固定部材17bにおける円柱部分182の面185に当接することで、軸受部191で定着ローラー12を軸支するベアリング19が端部規制部材17により固定される。又、軸受部191の外径は、固定部材17bにおける開口部181の内径と同一又は隙間公差分小さく設定する。
上述の端部規制部材17及びベアリング19による支持構造で両端が支持される発熱ベルト11及び定着ローラー12の位置関係について、以下に説明する。端部規制部材17は、図8に示すように、回転部材17a及び固定部材17bそれぞれの中心を一致させ、回転部材17aの突起部173の中心を発熱ベルト11の回転中心に一致させた構成となる。一方、固定部材17bの開口部181の中心は、発熱ベルト11の回転中心よりも加圧ローラー21側であり、且つ、記録紙P2搬送方向下流側に位置させている。従って、この開口部181に嵌合されるベアリング19で軸支される定着ローラー12の回転中心が、発熱ベルト11の回転中心に対して、加圧ローラー21側で且つ記録紙P2搬送方向下流側に位置することとなる。
このように、本実施形態の定着装置6aは、図9に示すように、加圧ローラー21の回転中心O3の直上に、定着ローラー12の回転中心O2を位置させるとともに、この定着ローラー12の回転中心O2に対して、加圧ローラー21よりも離れた位置で且つ記録紙P2搬送方向上流側に、発熱ベルト11の回転中心O1を位置させる。即ち、発熱ベルト11の回転中心O1は、定着ローラー12及び加圧ローラー21それぞれの回転中心O2,O3を結ぶ直線よりも記録紙P2搬送方向上流側に位置する。従って、発熱ベルト11の内周面は、加圧ローラー21による押圧がない場合、その回転中心O1よりも記録紙P2搬送方向下流側で、定着ローラー12の外周面と内接することとなる。
このように記録紙P2搬送方向下流側で定着ローラー12と内接する発熱ベルト11に対して、定着ローラー12直下に位置する加圧ローラー21が、定着ローラー12に向かって押圧する。これにより、加圧ローラー21の押圧により構成される定着ニップ領域N1の上流側では、発熱ベルト11の内周面と定着ローラー12の外周面との間隔が広くなる。一方、定着ニップ領域N1の下流側では、発熱ベルト11の内周面と定着ローラー12の外周面とがほぼ接触した状態となる。この図9に示す定着装置6aの構成と比較するために、図10に、発熱ベルト11の回転中心O1を、定着ローラー12及び加圧ローラー21それぞれの回転中心O2,O3を結ぶ直線上に位置させた定着装置6xの構成を示す。
図10に示す定着装置6xにおける定着ニップ領域N2は、回転中心O2,O3を結ぶ直線を基準に対称となるように構成される。そのため、定着ニップ領域N2の上流側及び下流側それぞれにおいて、発熱ベルト11の内周面と定着ローラー12の外周面との間隔が同一の広さとなる。従って、定着ニップ領域N2の下流側の発熱ベルト11の接線方向(ニップ出口接線方向)が、同位置の定着ローラー12の接線方向に対して、記録紙P2の排紙方向に傾斜した状態となる。
この図10に示す定着装置6xと本実施形態の定着装置6aとを比べる。定着装置6a,6xそれぞれの定着ニップ領域N1,N2の上流側の構成を比較すると、定着装置6aの発熱ベルト11と定着ローラー12との間隔が、定着装置6xの発熱ベルト11と定着ローラー12との間隔よりも広くなっている。そのため、定着装置6aの定着ニップ領域N1上流側における発熱ベルト11と定着ローラー12との接触長さが、定着装置6xの定着ニップ領域N2上流側における発熱ベルト11と定着ローラー12との接触長さよりも短くなる。従って、定着装置6aは、定着ニップ領域N1上流側での接触長さを短くできるため、定着ニップ領域N1上流側における発熱ベルト11から定着ローラー12への伝熱を抑制できる。よって、定着ニップ領域N1における発熱ベルト11の温度低下を防止でき、発熱ベルト11における発熱に必要な電力量を省電力化できる。
又、定着装置6aの定着ニップ領域N1下流側における発熱ベルト11のニップ出口接線方向の記録紙P2搬送方向に対する傾斜角度(分離角)α1が、定着装置6xの定着ニップ領域N2下流側における発熱ベルト11のニップ出口接線方向の傾斜角度(分離角)α2に比べて、大きくなる。従って、定着装置6aは、定着装置6xに比べて、定着ニップ領域N1下流側における記録紙P2の分離性が向上する。更に、定着ニップ領域N1下流側で、発熱ベルト11が定着ローラー12と接触しているため、図3及び図4に示す給電部材14と定着ローラー12とにより、発熱ベルト11が挟持された状態となる。従って、発熱ベルト11の電極111と給電部材14の給電ブラシ141との接触状態を良好にできるため、その給電安定性を向上すると同時に、その接触抵抗を低減できる。
本実施形態における定着装置6aは、その発熱ベルト11の回転中心O1の位置を、図11に示すような、定着ローラー12の回転中心O2を中心とする円X1と、当該回転中心O2を通過する直線X2との交点位置とすることが好ましい。このとき、円X1は、発熱ベルト11の内径と定着ローラー12の外径の差を直径とする円であって、発熱ベルト11に定着ローラー12を内接させるための回転中心O1の軌跡を表す。又、直線X2は、記録紙P2搬送方向下流側における定着ローラー12と加圧ローラー21の交点X3と回転中心O2とを結ぶ直線である。そして、回転中心O1は、この円X1と直線X2の二交点の内、交点X3よりも離れた側の交点に位置させることで、その定着ニップ領域N1を最適に設定できる。
<第2の実施形態>
本発明の第2の実施形態の画像形成装置について、定着装置の構成を中心に、以下に、図面を参照して説明する。図12は、本実施形態の画像形成装置における定着装置の構成を示す概略断面図である。尚、図12に示す構成において、図3及び図4と同一の構成となる部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
本実施形態における定着装置6bは、図12に示すように、発熱ベルト11と定着ローラー12とによる加熱器10bと、加圧ローラー21と加圧ベルト25とによる加圧器120bとを備える。本実施形態の定着装置6bにおける加熱器10bは、第1の実施形態における加熱器10(図4参照)と異なり、発熱ベルト11の内径と定着ローラー12の外径とをほぼ同一とし、定着ローラー12の外周全面を発熱ベルト11で覆うように構成する。又、発熱ベルト11は、第1の実施形態と同様、給電部材14と接触して電源15(図4参照)からの給電を受けて加熱する。一方、加圧器20bは、第1の実施形態における加圧器20(図4参照)と同様の加圧ローラー21により加圧ベルト25を周回させる構成となる。尚、加圧ベルト25が、特許請求の範囲における「定着ベルト」に相当するとともに、加圧ローラー21及び定着ローラー12それぞれが、特許請求の範囲における「第1定着ローラー」及び「第2定着ローラー」に相当する。
このように構成される定着装置6bにおいて、加熱器10bを構成する発熱ベルト11と定着ローラー12はそれぞれ、図13に示すように、同一の回転中心O1bにより回転する。一方、加圧器20bにおいて、加圧ローラー21の回転中心O2bが、発熱ベルト11及び定着ローラー12の回転中心O1b直下に位置する。そして、加圧ベルト25の回転中心O3bが、回転中心O2bよりも加熱器10b側で且つ記録紙P2搬送方向上流側に位置する。このとき、加圧器20bを構成する加圧ローラー21及び加圧ベルト25は、それぞれが回転可能となるように、第1の実施形態で説明した端部規制部材17及びベアリング19(図7及び図8参照)と同一の支持機構によって、それぞれの両端が支持される。
定着装置6bは、第1の実施形態の定着装置6aとは異なり、加圧器20bの加圧ベルト25の回転中心O3bが、定着ローラー12及び加圧ローラー21それぞれの回転中心O1b,O2bを結ぶ直線に対して、記録紙P2搬送方向上流側に位置するよう、構成されている。従って、定着装置6bは、発熱ベルト11と加圧ベルト25とによる定着ニップ領域N3上流側において、加圧ローラー21の外周面と加圧ベルト25の内周面の間隔が広くなる一方で、定着ニップ領域N3下流側で、加圧ベルト25の内周面に加圧ローラー21の外周面が内接する。即ち、定着装置6bの加圧器20bの構成が、第1の実施形態における定着装置6aの加熱器10の構成と同様の構成となる。
この定着装置6bについて、図14に示す、加圧ベルト25の回転中心O3bを定着ローラー12及び加圧ローラー21の回転中心O1b,O2bを結ぶ直線上に配置した定着装置6yと比較する。定着装置6bの定着ニップ領域N3下流側における加圧ベルト25の分離角β1が、定着装置6yの定着ニップ領域N4下流側における加圧ベルト25の分離角β2に比べて、大きくなる。従って、定着装置6bは、定着装置6yに比べて、定着ニップ領域N3下流側における記録紙P2の分離性が向上する。
又、定着装置6bは、定着ニップ領域N3上流側においては、加圧ローラー21による加圧ベルト25との接触が少なく、定着ニップ領域N3下流側においては、加圧ベルト25の分離角β1が大きくなる。そのため、両面印刷の際に、その裏面で定着されたトナー画像の再融解等が発生したとしても、分離不良を防ぐことができる。
尚、本実施形態の定着装置6bにおいて、定着ローラー12の外周全面を発熱ベルト11で覆う加熱器10bを用いた構成としたが、第1の実施形態と同様、発熱ベルト11の回転中心が定着ローラー12の回転中心よりも記録紙P2搬送方向上流側に位置させた加熱器10を備えるものとしても構わない。このとき、定着ローラー12と加圧ローラー21それぞれの回転中心を結ぶ直線に対して、記録紙P2搬送方向上流側に、発熱ベルト11及び加圧ベルト25それぞれの回転中心が位置することとなる。
又、上述の各実施形態において、定着装置の加熱器の加熱機構として、電力供給される発熱抵抗体を備えた発熱ベルトを用いた構成を例に挙げて説明したが、このような構成に限られるものではない。例えば、その内側に設けられた定着パッドにより加圧器側に押圧される定着ベルトが、ハロゲンヒーター、誘導加熱コイル、又はセラミックヒーター等で加熱される構成等を用いることもできる。
即ち、第2の実施形態の定着装置6bにおいて、図15に示すように、加熱器10pを、その内側にハロゲンヒーター26を有する定着ベルト27と、この定着ベルト27の内側から定着ベルト27を加圧器20b側に押圧する定着パッド28とを備える構成としても構わない。又、図16に示すように、加熱器10qが、定着パッド28を内側に設けた定着ベルト27を、定着パッド28の加圧器20の逆側に設けられたセラミックヒーター29により加熱する構成としても構わない。
更に、図17に示すように、加熱器10rが、定着パッド28を内側に設けた定着ベルト27と、定着ベルト27外周に配置された誘導電磁コイル30を備え、この誘導電磁コイル30により発生させた磁束によって定着ベルト27の発熱層を電磁誘導により発熱させて定着ベルト27を加熱する構成であっても構わない。又、図18に示すように、第1の実施形態の定着装置6aにおいて、加熱器10sを、図4の加熱器10aにおける発熱ベルト11及び給電部材14の代わりに、定着ベルト27及び誘導電磁コイル30が設けられた構成とするものであっても構わない。
尚、本願発明における画像形成装置として、上述の各実施形態における、定着装置を備えるものであれば、コピー機能、スキャナー機能、プリンター機能、ファックス機能を有するMFP(Multifunction Peripheral)であっても構わないし、プリンター、コピー機、ファクシミリ等であっても構わない。その他、各部の構成は図示の実施形態に限定されるものではなく、本願発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。
1 画像形成装置
2 装置本体
3 画像読取部
4 給紙トレイ
5 転送部
6 定着部
6a,6b 定着装置
7 排紙トレイ
8 給紙機構
9 操作パネル
10 加熱器
10b 加熱器
11 発熱ベルト
12 定着ローラー
13 芯金
14 給電部材
15 電源
16 温度検出部
17 端部規制部材
17a 回転部材
17b 固定部材
19 ベアリング
20 加圧器
20b 加圧器
21 加圧ローラー
22 芯金
23 弾性層
24 離型層
25 加圧ベルト
59 加熱器
60 加圧器
111 電極
112 領域
113 抵抗発熱体層
114 補強層
115 弾性層
116 離型層
121 弾性層
122 弾性層
141 給電ブラシ
142 付勢部材
171 開口部
172 底板部分
173 突起部
181 開口部
182 円柱部分(基部)
183 円柱部分(突起部)
191 軸受部
192 フランジ

Claims (7)

  1. 回動可能な定着ベルトと、該定着ベルトの内周面に内接するとともに該定着ベルトの内径より外径が小さい第1定着ローラーと、前記定着ベルトの外周面に外接するとともに該第1定着ローラーとともに前記定着ベルトを挟持して定着ニップ領域を形成する第2定着ローラーとを備える定着装置において、
    前記定着ベルトの回転中心を、記録紙搬送方向に対して、前記第1定着ローラー及び前記第2定着ローラーの回転中心を結ぶ直線からずれた位置とし、
    前記定着ベルトの両端を支持して前記定着ベルトの回転位置を規制するとともに前記第1定着ローラーを支持する端部規制部材を有し、
    前記端部規制部材において前記第1定着ローラーを支持する位置が、前記定着ベルトの回転中心に対応する位置からずれた位置であり、
    前記端部規制部材が、前記定着ベルトの両端に当接するとともに前記定着ベルトに従動して回転することが可能な回転部材と、当該回転部材を軸支するとともに前記第1定着ローラーを支持する固定部材と、を有することを特徴とする定着装置。
  2. 記定着ベルトの回転中心を、前記第1定着ローラー及び前記第2定着ローラーの回転中心を結ぶ直線から記録紙搬送方向上流側にずれた位置とすることを特徴とする請求項1に記載の定着装置。
  3. 前記端部規制部材に嵌合するとともに前記第1定着ローラーを軸支するベアリングをさらに有し、
    前記固定部材には、前記第1定着ローラーを支持する位置において、前記ベアリングが嵌合されることを特徴とする請求項1又は2に記載の定着装置。
  4. 前記定着ベルトを加熱する加熱機構を備え、前記定着ベルト及び前記第1定着ローラーによって加熱器を構成し、
    前記第2定着ローラーによって加圧器を構成することを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の定着装置。
  5. 前記定着ベルトが、その両端に電極が設けられるとともに当該電極と電気的に接続される抵抗発熱体を有し、
    前記定着ベルトの前記抵抗発熱体及び前記電極と、前記定着ベルトの前記電極に当接させた給電部材とによって、前記加熱機構を構成し、
    前記給電部材によって前記定着ベルトの前記抵抗発熱体に給電して前記定着ベルトを発熱させることを特徴とする請求項に記載の定着装置。
  6. 前記定着ベルト及び前記第1定着ローラーによって加圧器を構成するとともに、
    前記第2定着ローラーによって加熱器を構成することを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の定着装置。
  7. 記録紙にトナー画像を転写する転写部と、該転写部でトナー画像が転写された前記記録紙を加熱しながら加圧する定着部と、を備える画像形成装置であって、
    前記定着部を、請求項1〜のいずれか一項に記載の定着装置によって構成することを特徴とする画像形成装置。
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