JP7091621B2 - 定着装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、定着装置および画像形成装置に関する。より特定的には、本発明は、内側からベルトを押圧する押圧部材を備えた定着装置および画像形成装置に関する。

電子写真式の画像形成装置には、スキャナー機能、ファクシミリ機能、複写機能、プリンターとしての機能、データ通信機能、およびサーバー機能を備えたＭＦＰ（Ｍｕｌｔｉ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ）、ファクシミリ装置、複写機、プリンターなどがある。

画像形成装置は一般に、像担持体上に形成した静電潜像を現像装置によって現像してトナー像を形成し、このトナー像を記録媒体へ転写した後、定着装置によってトナー像を用紙に定着させることにより、記録媒体に画像を形成する。また、画像形成装置の中には、像担持体上に形成した静電潜像を現像装置によって現像してトナー像を形成し、一次転写ローラーを用いてトナー像を中間転写ベルトに転写し、二次転写ローラーを用いて中間転写ベルト上のトナー像を記録媒体へ二次転写するものも存在する。

定着装置の中には、回転する無端状のベルトと、ベルトの内側から定着ニップを押圧する押圧部材と、ベルトを押圧部材に押圧することによりベルトとの間で定着ニップを形成する回転体とを備えた定着装置が存在する。この種の定着装置の従来の構成は、たとえば下記特許文献１および２などに開示されている。

下記特許文献１の定着装置は、回転軸の周りを回転可能に設けられる定着ベルトと、定着ベルトに圧接して定着ニップを形成し、回転可能に設けられる加圧部材と、定着ベルトを加圧部材側に向かって押圧する押圧面を有する押圧部材とを備えている。押圧面は、記録媒体の搬送方向に沿って延びる平面部と、記録媒体の搬送方向において平面部の下流側に設けられ、加圧部材の外周面に沿って湾曲する曲面部とを含んでいる。曲面部の曲率半径は、定着ニップの形成に伴う変形前の加圧部材の外周面の曲率半径よりも大きい。

下記特許文献２の定着装置は、回転可能な無端状の加熱ベルトと、この加熱ベルトに圧接し回転可能な加圧ローラーと、加熱ベルトを加熱する熱源と、加熱ベルトと加圧ローラーとが圧接するニップ領域と、加熱ベルトの内側で装置本体に固設され、加圧ローラーに加圧されるとともに、加熱ベルトがニップ領域で所定の経路で移動するのを案内する案内面を有する保持部材とを備えている。案内面は、ニップ領域に位置する部分で用紙搬送方向下流側へ向かうにつれて加圧ローラー側に傾斜している。

特開２０１７－７２７１１号公報 特開２０１０－２２４０８２号公報

近年、省エネルギーに対する意識の高まりから、画像形成装置の省電力化が要求されている。定着装置の消費電力は画像形成装置の消費電力の大きな割合を占めている。したがって、画像形成装置の省電力化のための方法として、定着温度を低く設定することにより定着装置の消費電力を低減する方法が考えられる。

上述の従来の定着装置では、定着温度を低く設定することはできなかった。特許文献１の定着装置では、押圧部材の押圧面は平面部と曲面部とによって構成されており、平面部は記録媒体の搬送方向に沿って延びている。特許文献２の定着装置では、保持部材の案内面は平面のみによって構成されている。これらの構成では、定着ニップで記録媒体が受ける圧力の分布は、搬送方向に沿った定着ニップのほぼ中央の位置で最大となる。このため、定着装置は、定着ニップの上流側端部から中央の位置まで記録媒体が移動する短時間の間しか記録媒体上のトナーを加熱することができず、搬送方向に沿った定着ニップのほぼ中央の位置で、記録媒体上のトナーが十分に加熱される前に定着を行っていた。その結果、定着装置の熱を定着に十分に活かすことができず、定着温度を低く設定した場合には定着不良が発生していた。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、消費電力を低減することのできる定着装置および画像形成装置を提供することである。

本発明の一の局面に従う定着装置は、定着ニップに記録媒体を通過させることにより、トナー像を記録媒体に定着させる定着装置であって、回転する無端状のベルトと、ベルトの内側に配置され、内側からベルトを押圧する押圧部材と、ベルトの外側に配置され、外側からベルトの押圧部材に対向する位置を押圧することにより、ベルトとの間で定着ニップを形成する回転体とを備え、押圧部材におけるベルトを挟んで回転体と対向する面は、平面部と、平面部における記録媒体の搬送方向下流側の端部において平面部と隣接する曲面部とを含み、回転体の中心軸と直交する断面で見た場合に、平面部における搬送方向上流側の端部は、平面部における搬送方向下流側の端部よりも、回転体の中心軸を通り搬送方向に対して平行な直線から離れており、平面部における搬送方向下流側の端部の搬送方向に沿った位置は、回転体の中心軸の搬送方向に沿った位置よりも上流側に存在する。
本発明の他の局面に従う定着装置は、定着ニップに記録媒体を通過させることにより、トナー像を記録媒体に定着させる定着装置であって、回転する無端状のベルトと、ベルトの内側に配置され、内側からベルトを押圧する押圧部材と、ベルトの外側に配置され、外側からベルトの押圧部材に対向する位置を押圧することにより、ベルトとの間で定着ニップを形成する回転体とを備え、押圧部材におけるベルトを挟んで回転体と対向する面は、平面部と、平面部における記録媒体の搬送方向下流側の端部において平面部と隣接する曲面部とを含み、回転体の中心軸と直交する断面で見た場合に、平面部における搬送方向上流側の端部は、平面部における搬送方向下流側の端部よりも、回転体の中心軸を通り搬送方向に対して平行な直線から離れており、曲面部の曲率中心は、回転体の中心軸とは異なる位置に存在する。
上記定着装置において好ましくは、回転体の中心軸の搬送方向に沿った位置は、曲面部の曲率中心の搬送方向に沿った位置よりも下流側に存在する。
本発明のさらに他の局面に従う定着装置は、定着ニップに記録媒体を通過させることにより、トナー像を記録媒体に定着させる定着装置であって、回転する無端状のベルトと、ベルトの内側に配置され、内側からベルトを押圧する押圧部材と、ベルトの外側に配置され、外側からベルトの押圧部材に対向する位置を押圧することにより、ベルトとの間で定着ニップを形成する回転体とを備え、押圧部材におけるベルトを挟んで回転体と対向する面は、平面部と、平面部における記録媒体の搬送方向下流側の端部において平面部と隣接する曲面部とを含み、回転体の中心軸と直交する断面で見た場合に、平面部における搬送方向上流側の端部は、平面部における搬送方向下流側の端部よりも、回転体の中心軸を通り搬送方向に対して平行な直線から離れており、曲面部における回転体側に最も突出した部分は、定着ニップの一部を形成する。

上記定着装置において好ましくは、回転体の中心軸と直交する断面で見た場合に、平面部を延長した直線と、回転体の中心軸を通り搬送方向に対して平行な直線との交点の搬送方向に沿った位置は、平面部における搬送方向下流側の端部の搬送方向に沿った位置よりも下流側に存在する。

上記定着装置において好ましくは、曲面部の曲率半径は、定着ニップを形成しない状態の回転体の外周面の曲率半径よりも大きい。

上記定着装置において好ましくは、曲面部の曲率半径は、定着ニップを形成しない状態の回転体の外周面の曲率半径の２倍以下である。

上記定着装置において好ましくは、押圧部材におけるベルトを挟んで回転体と対向する面は、平面部における記録媒体の搬送方向上流側の端部において平面部と隣接する他の曲面部をさらに含み、曲面部の曲率中心と他の曲面部の曲率中心とは、押圧部材におけるベルトを挟んで回転体と対向する面を基準として、互いに異なる側に存在する。

上記定着装置において好ましくは、回転体の中心軸と直交する断面で見た場合に、回転体の中心軸を通り搬送方向に対して平行な直線に対する平面部の傾斜角度は、０．５度以上２５度以下である。

本発明のさらに他の局面に従う画像形成装置は、トナー像を記録媒体に形成する画像形成部と、上記の定着装置とを備える。

本発明によれば、消費電力を低減することのできる定着装置および画像形成装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態における画像形成装置１の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態における定着装置４０の構成を模式的に示す断面図である。 図２における定着ニップＮＰ付近の構成を拡大して示す断面図である。 本発明の一実施の形態のパッド４２における定着ベルト４１を挟んで加圧ローラー４６と対向する面４１０の形状を詳細に説明する図である。 定着ニップを通過する用紙の温度変化と定着ニップの圧力分布とを模式的に示す図である。 本発明の一実施の形態の定着装置４０における加圧ローラー４６の表面硬度（ゴム硬度）と、定着ニップＮＰにおける圧力傾斜、ピーク圧、および画像品質との関係を示す図である。 本発明の一実施の形態の定着装置４０における定着ベルト４１の平面部４１１の傾斜角度θと、定着ニップＮＰにおける圧力傾斜および画像品質との関係を示す図である。 本発明の一実施の形態の第１の変形例における定着装置４０の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態の第２の変形例における定着装置４０の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態の第３の変形例における定着装置４０の構成を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の一実施の形態について、図面に基づいて説明する。

以下の実施の形態では、定着装置が搭載される画像形成装置がＭＦＰである場合について説明する。定着装置が搭載される画像形成装置はＭＦＰの他、ファクシミリ装置、複写機、またはプリンターなどであってもよい。

図１は、本発明の一実施の形態における画像形成装置１の構成を模式的に示す断面図である。

図１を参照して、本実施の形態における画像形成装置１は、ＭＦＰであり、用紙搬送部１０と、トナー像形成部２０（画像形成部の一例）と、制御部３０と、定着装置４０とを主に備えている。

用紙搬送部１０は、搬送経路ＴＲに沿って矢印ＡＲ１で示す搬送方向に用紙Ｍ（記録媒体の一例）を搬送する。用紙搬送部１０は、給紙トレイ１１と、給紙ローラー１２と、複数の搬送ローラー１３と、排紙ローラー１４と、排紙トレイ１５とを含んでいる。給紙トレイ１１は、画像を形成するための用紙Ｍを収容する。給紙トレイ１１は複数であってもよい。給紙ローラー１２は、給紙トレイ１１と搬送経路ＴＲとの間に設けられている。複数の搬送ローラー１３の各々は、搬送経路ＴＲに沿って設けられている。排紙ローラー１４は、搬送経路ＴＲの最も下流の部分に設けられている。排紙トレイ１５は画像形成装置本体１ａの最上部に設けられている。

トナー像形成部２０は、いわゆるタンデム方式でＹ（イエロー）、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）、およびＫ（ブラック）の４色の画像を合成し、搬送される用紙Ｍにトナー像を形成する。トナー像形成部２０は、ＹＭＣＫ各色についての画像形成ユニット２１と、中間転写ベルト２２と、ＹＭＣＫ各色についての一次転写ローラー２３と、二次転写ローラー２４とを含んでいる。

ＹＭＣＫ各色の画像形成ユニット２１は、感光体ドラム２５と、帯電ローラー２６と、露光装置２７と、現像装置２８と、クリーニング装置２９などを含んでいる。感光体ドラム２５は、図１中矢印αで示す方向に回転駆動される。感光体ドラム２５の周囲には、帯電ローラー２６、現像装置２８、およびクリーニング装置２９が設けられている。帯電ローラー２６は、感光体ドラム２５に近接して設けられている。露光装置２７は、感光体ドラム２５の下部に設けられている。

中間転写ベルト２２は、ＹＭＣＫ各色の画像形成ユニット２１の上部に設けられている。中間転写ベルト２２は、環状であり、回転ローラー２２ａに架け渡されている。中間転写ベルト２２は、図１中矢印βで示す方向に回転駆動される。一次転写ローラー２３の各々は、中間転写ベルト２２を挟んで感光体ドラム２５の各々と対向している。二次転写ローラー２４は、搬送経路ＴＲにおいて中間転写ベルト２２と接触している。

定着装置４０は、トナー像を担持した用紙を把持しながら搬送経路ＴＲに沿って搬送することで、用紙Ｍにトナー像を定着させる。

画像形成装置１は、感光体ドラム２５を回転させて、感光体ドラム２５の表面を帯電ローラー２６によって帯電させる。画像形成装置１は、帯電された感光体ドラム２５の表面に対して、露光装置２７により画像形成情報に従った露光を行い、感光体ドラム２５の表面に静電潜像を形成する。

次に画像形成装置１は、静電潜像が形成された感光体ドラム２５に対して、現像装置２８からトナーを供給して現像を行い、感光体ドラム２５の表面にトナー像を形成する。

次に画像形成装置１は、一次転写ローラー２３を用いて、感光体ドラム２５に形成されたトナー像を、中間転写ベルト２２の表面に順次転写する（一次転写）。フルカラー画像の場合、中間転写ベルト２２の表面には、ＹＭＣＫ各色のトナー像が合成されたトナー像が形成される。

画像形成装置１は、中間転写ベルト２２に転写されずに感光体ドラム２５に残留したトナーを、クリーニング装置２９により除去する。

続いて画像形成装置１は、中間転写ベルト２２の表面に形成されたトナー像を、回転ローラー２２ａによって二次転写ローラー２４と対向する位置まで搬送する。

一方、画像形成装置１は、給紙トレイ１１に収容された用紙Ｍを、給紙ローラー１２により給紙し、複数の搬送ローラー１３の各々により搬送経路ＴＲに沿って中間転写ベルト２２と二次転写ローラー２４との間に導く。そして画像形成装置１は、中間転写ベルト２２の表面に形成されたトナー像を、二次転写ローラー２４により用紙Ｍに転写する。

画像形成装置１は、トナー像が転写された用紙Ｍを定着装置４０に導き、定着装置４０によりトナー像を用紙Ｍに定着する。その後画像形成装置１は、トナー像が定着された用紙Ｍを、排紙ローラー１４により排紙トレイ１５に排紙する。

制御部３０は、制御プログラムに従って画像形成装置１全体を制御するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、制御プログラムを記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、ＣＰＵのワークエリアを構成するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などによって構成されている。

図２は、本発明の一実施の形態における定着装置４０の構成を模式的に示す断面図である。図３は、図２における定着ニップＮＰ付近の構成を拡大して示す断面図である。なお、図２～図４では、加圧ローラー４６の中心軸Ｒと直交する断面を示している。

図２および図３を参照して、定着装置４０は、定着ベルトを二軸で支持する方式を採用したものであり、定着ベルト４１（ベルトの一例）と、パッド（ニップ形成部材）４２（押圧部材の一例）と、ヒーター（熱源、発熱体）４３と、加熱ローラー４４と、パッドフレーム４５と、加圧ローラー４６（回転体の一例）とを含んでいる。定着装置４０は、定着ニップＮＰに用紙を通過させることにより、トナー像を用紙に定着させる。

定着ベルト４１は無端状のベルトである。定着ベルト４１は、軸方向の両端部において図示しないガイド部材（側板）によって挟持されることで、加圧ローラー４６に圧接して定着ニップＮＰを形成する位置で支持されている。定着ベルト４１は、パッド４２および加熱ローラー４４に掛け渡されている。定着ベルト４１には付勢手段（図示せず）によってテンションが与えられている。

パッド４２は、定着ベルト４１の内側に配置されている。パッド４２は、加圧ローラー４６の中心軸Ｒの延在方向に対して平行に延在している。パッド４２は定着ベルト４１の内側から定着ベルト４１を押圧する。

ヒーター４３は、加熱ローラー４４の内部に設けられている。ヒーター４３は、加圧ローラー４６の中心軸Ｒの延在方向に対して平行に延在している。ヒーター４３は、加熱ローラー４４を介して定着ベルト４１を所定の目標温度に加熱する。ヒーター４３としては、ハロゲンランプなどが用いられる。

加熱ローラー４４は、円筒形状を有しており、定着ベルト４１の内側に設けられている。加熱ローラー４４は、定着ベルト４１を加熱するとともに、定着ベルト４１の回転に従動する。

パッドフレーム４５は、定着ベルト４１の内側に設けられている。パッドフレーム４５は、加圧ローラー４６の中心軸Ｒの延在方向に対して平行に延在している。パッドフレーム４５には溝４５ａが形成されている。溝４５ａ内にはパッド４２の突出部４２１が挿入されている。これにより、パッドフレーム４５はパッド４２を保持している。

加圧ローラー４６は、定着ベルト４１の外側における定着ベルト４１を介してパッド４２と対向する位置に配置されている。加圧ローラー４６は、定着ベルト４１の外側から定着ベルト４１のパッド４２に対向する位置を押圧することにより、定着ベルト４１との間で定着ニップＮＰを形成する。加圧ローラー４６は、矢印ＡＲ１１で示す方向に回転駆動される。定着ベルト４１は、加圧ローラー４６の回転に従動して矢印ＡＲ１２で示す方向に回転する。

加圧ローラー４６の外周面は、パッド４２よりも柔らかい材料（ゴムなど）よりなっている。このため、加圧ローラー４６が定着ベルト４１に圧接された状態では、加圧ローラー４６の外周面はパッド４２の形状に沿って変形しており、パッド４２はほとんど変形しない。定着ニップＮＰにおける加圧ローラー４６の表面は、定着ニップＮＰを形成しない状態の表面４６ａよりも中心軸Ｒ側に凹んでいる。加圧ローラー４６の外周面の表面硬度（ゴム硬度）は、４０°以上６０°以下であることが好ましい。

なお、定着装置４０は、少なくともパッド４２と定着ベルト４１とが接触する間の部分に設けられた摺動シートをさらに含んでいてもよい。摺動シートは、ガラス繊維で構成されたシート材と、シート材を覆うように形成されたフッ素系樹脂とを含んでいる。シート材における定着ベルト４１側の面に凹凸が形成されると共に、この凹凸部分に、粘性があり耐熱性に優れたフッ素系のグリスなどを用いた潤滑剤が保持されている。摺動シートを設けることにより、定着ベルト４１からの熱がパッド４２に伝わることを抑制することができ、パッド４２の耐熱温度を高めることができる。さらに、定着ベルト４１とパッド４２との接触抵抗を低減することができ、定着ベルト４１の内周面に潤滑剤を簡単に塗布させることができる。

パッド４２の延在方向、加熱ローラー４４の回転軸方向、および加圧ローラー４６の中心軸Ｒ方向（回転軸方向）の各々は、互いに平行である。

定着装置４０は、定着ベルト４１に付勢手段（図示せず）によってテンションを作用させた状態で、定着ベルト４１を回転する加圧ローラー４６に従動させ、加熱された定着ベルト４１をパッド４２により加圧ローラー４６に圧接させた定着ニップＮＰにおいて、トナー像を用紙に定着する。

図４は、本発明の一実施の形態のパッド４２における定着ベルト４１を挟んで加圧ローラー４６と対向する面４１０の形状を詳細に説明する図である。図４（ａ）は、面４１０の形状を示す断面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）における交点４１１ｃ、中心軸Ｒ、下流側端部４１１ｂ、および点４１２ａの各々の用紙の搬送方向（矢印ＡＲ１で示す方向）に沿った位置を示す図である。なお、「ある点の用紙の搬送方向に沿った位置」とは、ある点から用紙の搬送方向（搬送経路ＴＲ）に対して延ばした垂線と用紙の搬送方向との交点の位置を意味している。図４（ａ）では、定着装置４０における定着ベルト４１、パッド４２、および加圧ローラー４６の構成のみが示されている。

図３および図４を参照して、パッド４２における定着ベルト４１を挟んで加圧ローラー４６と対向する面４１０は、平面部４１１と、曲面部４１２（曲面部の一例）と、曲面部４１３（他の曲面部の一例）とを含んでいる。平面部４１１は、矢印ＡＲ１で示す用紙の搬送方向で、曲面部４１２と曲面部４１３とに挟まれている。平面部４１１は、用紙の搬送方向上流側の端部である上流側端部４１１ａと、用紙の搬送方向下流側の端部である下流側端部４１１ｂとを含んでいる。

加圧ローラー４６の中心軸Ｒを通り用紙の搬送方向に対して平行な直線を直線ＬＮ１とする。図４（ａ）に示す断面で見た場合に、平面部４１１における上流側端部４１１ａは、平面部４１１における下流側端部４１１ｂよりも直線ＬＮ１から離れている。

また、図４（ａ）に示す断面で見た場合に、平面部４１１を延長した直線を直線ＬＮ２とする。直線ＬＮ２は直線ＬＮ１に対して傾斜している（図４（ａ）において、直線ＬＮ１およびＬＮ２の一部の図示は省略されている）。直線ＬＮ１と直線ＬＮ２との交点４１１ｃの用紙の搬送方向に沿った位置ＰＯ１は、平面部４１１における下流側端部４１１ｂの用紙の搬送方向に沿った位置ＰＯ３よりも下流側（図４（ｂ）中上側）に存在している。

また、平面部４１１における下流側端部４１１ｂの用紙の搬送方向に沿った位置ＰＯ３は、加圧ローラー４６の中心軸Ｒの用紙の搬送方向に沿った位置ＰＯ２よりも上流側（図４（ｂ）中下側）に存在している。

また、図４（ａ）に示す断面で見た場合に、加圧ローラー４６の中心軸Ｒを通り用紙の搬送方向に対して平行な直線ＬＮ１に対する平面部４１１（直線ＬＮ２）の傾斜角度θは、０．５度以上２５度以下であることが好ましい。一例として、傾斜角度θは４．８度である。

曲面部４１２は、平面部４１１における下流側端部４１１ｂにおいて平面部４１１と隣接している。曲面部４１２は、点４１２ａを曲率中心とする弧状であり、曲率半径Ｒ１を有している。曲率半径Ｒ１は、定着ニップＮＰを形成しない状態の加圧ローラー４６の外周面の曲率半径Ｒ２よりも大きく、曲率半径Ｒ２の２倍以下であることが好ましい。曲率半径Ｒ１を曲率半径Ｒ２よりも大きくすることで、定着ニップＮＰの下流側での急激な圧力の上昇を防止することができる。曲率半径Ｒ１を曲率半径Ｒ２の２倍以下とすることで、定着ニップＮＰの中央から出口側に向かって圧力が徐々に増加させることができる。

点４１２ａは、加圧ローラー４６の中心軸Ｒとは異なる位置に存在しており、中心軸Ｒの用紙の搬送方向に沿った位置ＰＯ２は、点４１２ａの用紙の搬送方向に沿った位置ＰＯ４よりも下流側（図４（ｂ）中上側）に存在している。点４１２ａは、パッド４２における定着ベルト４１を挟んで加圧ローラー４６と対向する面４１０よりも加圧ローラー４６側（図４（ａ）中右側）に存在している。

また、曲面部４１２における加圧ローラー４６側に最も突出した部分４１２ｂは、定着ニップＮＰの一部を形成している。

曲面部４１３は、平面部４１１における上流側端部４１１ａにおいて平面部４１１と隣接している。曲面部４１３は、点４１３ａを曲率中心とする弧状であり、曲率半径Ｒ３を有している。点４１３ａは、パッド４２における定着ベルト４１を挟んで加圧ローラー４６と対向する面４１０を基準として、点４１２ａの側とは逆側に存在している。このため、曲面部４１２の曲率半径Ｒ１の符号と、曲面部４１３の曲率半径Ｒ３の符号とは互いに異なっている。

なお、本実施の形態では、平面部４１１の上流側端部４１１ａが定着ニップＮＰの一部を形成していない構成について示したが、平面部４１１の上流側端部４１１ａは（平面部４１１全体が）定着ニップＮＰの一部を形成していてもよい。

本実施の形態によれば、平面部４１１における上流側端部４１１ａが下流側端部４１１ｂよりも直線ＬＮ１から離れていることで、定着ニップＮＰの入口側（用紙の搬送方向上流側）の圧力を下げることができる。これにより、加圧ローラー４６から受ける圧力を定着ニップＮＰの出口側（用紙の搬送方向下流側）に集中させることができる。また、定着ニップＮＰを構成する面が平面部４１１を含むことにより、定着ニップＮＰの入口側の圧力増加が開始する境界を明確にすることができる。また、曲面部４１２により、定着ニップＮＰの出口側の圧力を増加させることができる。その結果、定着ニップＮＰにおいて用紙に加える圧力を、用紙の搬送方向に沿って（上流側から下流側に向かって）徐々に増加させることができる。

図５は、定着ニップを通過する用紙上のトナーの温度変化と定着ニップの圧力分布とを模式的に示す図である。図５（ａ）は、定着ニップを通過する用紙上のトナーの温度変化を模式的に示す図である。図５（ｂ）は、定着ニップの圧力分布を模式的に示す図である。図５（ｂ）中線ＰＬ１は、定着ベルトの代わりに円筒形状の定着ローラーを採用した構成を有する第１の比較例における圧力分布である。図５（ｂ）中線ＰＬ２は、パッドにおける定着ベルトを挟んで加圧ローラーと対向する面が単一の平面により構成され、かつ加圧ローラーの中心軸を通り用紙の搬送方向に対して平行な直線に対してその平面が傾斜している構成を有する第２の比較例における圧力分布である。図５（ｂ）中線ＰＬ３は、本実施の形態における圧力分布である。

図５（ａ）を参照して、用紙は定着ニップを通過する際に定着ベルトおよび加圧ローラーなどによって加熱される。このため、定着ニップを通過する用紙上のトナーの温度は、定着ニップ内で用紙が移動するにつれて徐々に増加する。その結果、用紙上のトナーの温度は、定着ニップの出口側（用紙の搬送方向下流側）付近で最も高くなる。

図５（ｂ）を参照して、第１の比較例（図５（ｂ）中線ＰＬ１）の場合には、円筒形状の定着ローラーと円筒形状の加圧ローラーとによって定着ニップが形成される構成となるため、定着ニップのほぼ中央の位置において用紙に加える圧力が最大になり、定着ニップの出口側付近で圧力を高めることはできない。第２の比較例（図５（ｂ）中線ＰＬ２）の場合には、パッドが単一の平面により構成されているため、定着ニップにおける用紙の搬送方向の中央部から下流側端部に向かう領域で圧力が局所的に低くなり、定着ニップの出口側付近で圧力を高めることはできない。

上述のように第１の比較例および第２の比較例においては、用紙上のトナーの温度が最も高くなる位置である定着ニップの出口側付近で圧力を高めることができない。このため、定着装置の熱を定着に十分に活かすことができず、定着温度を低く設定した場合には定着不良が発生する。

一方、本実施の形態（図５（ｂ）中線ＰＬ３）によれば、定着ニップの入口側における圧力が低減し、かつ出口側における圧力が増加する。これにより、定着ニップＮＰにおいて用紙に加わる圧力は用紙の搬送方向に沿って（上流側から下流側に向かって）徐々に増加するため、用紙に加わる圧力がピークに達するまでに、用紙上のトナーを十分昇温することができる。その結果、定着装置の熱を定着に十分に活かすことができ、定着不良を抑止しつつ定着温度を低く設定することができ、消費電力を低減することができる。

また本実施の形態によれば、直線ＬＮ１と直線ＬＮ２との交点４１１ｃの用紙の搬送方向に沿った位置ＰＯ１が、平面部４１１における下流側端部４１１ｂの用紙の搬送方向に沿った位置ＰＯ３よりも下流側（図４中上側）に存在しているので、定着ニップＮＰ内で圧力の最大値となる位置を定着ニップＮＰの中心の位置から用紙の搬送方向下流側にシフトさせることができる。

また本実施の形態によれば、曲面部４１２における加圧ローラー４６側に最も突出した部分４１２ｂが定着ニップＮＰの一部を形成しており、定着ベルト４１を介して加圧ローラー４６を押圧しているので、部分４１２ｂにおける圧力を定着ニップＮＰ内において最大にすることができる。

さらに本実施の形態によれば、曲面部４１２の曲率中心である点４１２ａと、曲面部４１３の曲率中心である点４１３ａとが面４１０を基準として互いに異なる側に存在しているため、定着ニップＮＰの入口側に存在する曲面部４１３において、パッド４２を加圧ローラー４６から離すことができる。

本願発明者は、本実施の形態の定着装置４０における加圧ローラー４６の表面硬度（ゴム硬度）と、定着ニップＮＰにおける圧力分布および画像品質との関係を調べた。具体的には、加圧ローラー４６の表面硬度がそれぞれ３０°、４０°、５０°、６０°、および７０°である５種類の加圧ローラー４６を準備し、それぞれの加圧ローラー４６を用いて構成した定着装置４０を用いて試験を行った。具体的には、加圧ローラー４６の表面硬度が異なる４種類の定着装置４０の各々について、定着ニップＮＰの入口側からピーク圧力の位置（圧力がピークとなる位置）まで圧力低下が無いか否か（圧力が単調増加しているか否か）と、定着ニップＮＰ内のピーク圧力が５０ｋＰａ以上となっているか否かと、従来と同等の画像品質を得るために必要な定着温度とを調べた。

図６は、本発明の一実施の形態の定着装置４０における加圧ローラー４６の表面硬度（ゴム硬度）と、定着ニップＮＰにおける圧力傾斜、ピーク圧、および画像品質との関係を示す図である。

図６中「圧傾斜」の欄には、定着ニップＮＰの入口側からピーク圧力となる位置まで圧力低下が無いか否かの調査結果が示されている。具体的には、定着ニップＮＰの入口側からピーク圧力となる位置までの区間で圧力低下が無かったものについては○印が記入されている。定着ニップＮＰの入口側からピーク圧力となる位置までの区間で圧力低下があったものについては×印が記入されている。

図６中「ピーク圧」の欄には、定着ニップＮＰ内のピーク圧力が５０ｋＰａ以上であるか否かの調査結果が示されている。具体的には、定着ニップＮＰ内のピーク圧力が５０ｋＰａ以上であったものについては○印が記入されている。定着ニップＮＰ内のピーク圧力が５０ｋＰａ未満であったものについては×印が記入されている。

図６中「画像品質」の欄には、従来と同等の画像品質を得るために必要な定着温度の低下量が５℃以上であったか否かの調査結果が示されている。具体的には、従来と同等の画像品質を得るために必要な定着温度の低下量が５℃以上であったものについては○印が記入されている。従来と同等の画像品質を得るために必要な定着温度の低下量が５℃未満であったものについては×印が記入されている。

図６を参照して、加圧ローラー４６の表面硬度が４０°、５０°、または６０°である定着装置４０については、定着ニップＮＰの入口側からピーク圧力となる位置までの区間で圧力低下が無く、定着ニップＮＰ内のピーク圧力が５０ｋＰａ以上であり、従来と同等の画像品質を得るために必要な定着温度を５℃以上低下することができた。一方、加圧ローラー４６の表面硬度が３０°である定着装置４０については、定着ニップＮＰの入口側からピーク圧力となる位置までの区間で圧力低下が見られ、定着ニップＮＰ内のピーク圧力が５０ｋＰａ未満であり、従来と同等の画像品質を得るために必要な定着温度を５℃以上低下することはできなかった。加圧ローラー４６の表面硬度が７０°である定着装置４０については、定着ニップＮＰ内のピーク圧力が５０ｋＰａ以上であったものの、定着ニップＮＰの入口側からピーク圧力となる位置までの区間で圧力低下が見られ、従来と同等の画像品質を得るために必要な定着温度を５℃以上低下することはできなかった。

以上の結果により、加圧ローラー４６の外周面の表面硬度（ゴム硬度）を４０°以上６０°以下とすることにより、定着ニップＮＰにおいて用紙に加える圧力を、用紙の搬送方向に沿って徐々に増加させることができ、画像品質を維持しつつ定着温度を相当量だけ低下できることが分かった。

また、本願発明者は、本実施の形態の定着装置４０において、加圧ローラー４６の中心軸Ｒを通り用紙の搬送方向に対して平行な直線ＬＮ１に対する平面部４１１の傾斜角度θがそれぞれ０度、０．５度、１０度、２０度、２５度、および３０度である６種類のパッド４２を準備し、それぞれのパッド４２を用いて構成した定着装置４０を用いて試験を行った。具体的には、傾斜角度θが異なる６種類の定着装置４０の各々について、定着ニップＮＰの入口側からピーク圧力となる位置まで圧力低下が無いか否か（圧力が単調増加しているか否か）と、従来と同等の画像品質を得るために必要な定着温度とを調べた。

図７は、本発明の一実施の形態の定着装置４０における定着ベルト４１の平面部４１１の傾斜角度θと、定着ニップＮＰにおける圧力傾斜および画像品質との関係を示す図である。なお、図７中「圧傾斜」および「画像品質」の各欄に記入されている○印または×印の意味は、図６の場合の意味と同様である。

図７を参照して、平面部４１１の傾斜角度θが０．５度、１０度、２０度、または２５度である定着装置４０については、定着ニップＮＰの入口側からピーク圧力となる位置までの区間で圧力低下が無く、従来と同等の画像品質を得るために必要な定着温度を５℃以上低下することができた。平面部４１１の傾斜角度θが０度または３０度である定着装置４０については、定着ニップＮＰの入口側からピーク圧力となる位置までの区間で圧力低下が見られ、従来と同等の画像品質を得るために必要な定着温度を５℃以上低下することはできなかった。

以上の結果により、平面部４１１の傾斜角度θを０．５度以上２５度以下とすることにより、定着ニップＮＰにおいて用紙に加える圧力を、用紙の搬送方向に沿って徐々に増加させることができ、画像品質を維持しつつ定着温度を相当量だけ低下できることが分かった。

［変形例］

図８は、本発明の一実施の形態の第１の変形例における定着装置４０の構成を模式的に示す断面図である。なお、図８では、加圧ローラー４６の中心軸Ｒと直交する断面を示している。

図８を参照して、本変形例における定着装置４０は、熱源によって定着ベルトを直接加熱する直接加熱方式を採用したものであり、定着ベルト４１（ベルトの一例）と、パッド４２（押圧部材の一例）と、ヒーター４３と、パッドフレーム４５と、加圧ローラー４６（回転体の一例）と、反射部材４７とを含んでいる。

定着ベルト４１は、加熱ローラーには掛け渡されておらず、定着ニップＮＰ付近の部分がパッド４２によって押圧されることで支持されている。パッド４２における定着ベルト４１を挟んで加圧ローラー４６と対向する面は、平面部４１１と、曲面部４１２と、曲面部４１３とを含んでいる。反射部材４７は、ヒーター４３からの輻射熱を定着ベルト４１の内面に向けて反射する。反射部材４７を設けることで、ヒーター４３から定着ベルト４１に直接向かう輻射熱と、ヒーター４３から反射部材４７に向かい反射部材４７で反射されて定着ベルト４１に向かう輻射熱との両方を用いて、定着ベルト４１を効率的に加熱することができる。

図９は、本発明の一実施の形態の第２の変形例における定着装置４０の構成を模式的に示す断面図である。なお、図９では、加圧ローラー４６の中心軸Ｒと直交する断面を示している。

図９を参照して、本変形例における定着装置４０は、パッド４２がヒーターとしての機能を有するものであり、定着ベルト４１（ベルトの一例）と、パッド（ニップ形成部材）４２（押圧部材の一例）と、ヒーター４３と、パッドフレーム４５と、加圧ローラー４６（回転体の一例）とを含んでいる。定着ベルト４１は、加熱ローラー４４には掛け渡されておらず、定着ニップＮＰ付近の部分がパッド４２によって押圧されることで支持されている。ヒーター４３はパッド４２に内蔵されており、パッド４２の内部において発熱する。これにより、パッド４２は定着ニップＮＰ内で定着ベルト４１を加熱する。パッド４２における定着ベルト４１を挟んで加圧ローラー４６と対向する面は、平面部４１１と、曲面部４１２と、曲面部４１３とを含んでいる。平面部４１１、曲面部４１２、および曲面部４１３は発熱体となる。

図１０は、本発明の一実施の形態の第３の変形例における定着装置４０の構成を模式的に示す断面図である。なお、図１０では、定着ローラー５１の中心軸Ｒと直交する断面を示している。

図１０を参照して、本変形例における定着装置４０は、いわゆる下ベルト方式を採用したものであり、定着ローラー５１（回転体の一例）と、下ベルト５２（ベルトの一例）と、ローラー５３ａ、５３ｂ、および５３ｃと、パッド４２（押圧部材の一例）と、ヒーター４３とを備えている。定着ローラー５１は円筒形状を有している。ヒーター４３は、定着ローラー５１に内蔵されており、定着ローラー５１を加熱する。定着ローラー５１と下ベルト５２とは定着ニップＮＰを形成している。下ベルト５２は、定着ニップＮＰ付近の部分がパッド４２によって押圧されている。下ベルト５２は、ローラー５３ａ、５３ｂ、および５３ｃと、パッド４２とに張架されている。パッド４２における下ベルト５２を挟んで定着ローラー５１と対向する面は、平面部４１１と、曲面部４１２と、曲面部４１３とを含んでいる。

なお、第１、第２、および第３の変形例における画像形成装置および定着装置の上述以外の構成は、上述の実施の形態における画像形成装置および定着装置の構成と同様であるため、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

［その他］

上述の実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 画像形成装置
１ａ 画像形成装置本体
１０ 用紙搬送部
１１ 給紙トレイ
１２ 給紙ローラー
１３ 搬送ローラー
１４ 排紙ローラー
１５ 排紙トレイ
２０ トナー像形成部（画像形成部の一例）
２１ 画像形成ユニット
２２ 中間転写ベルト
２２ａ 回転ローラー
２３ 一次転写ローラー
２４ 二次転写ローラー
２５ 感光体ドラム
２６ 帯電ローラー
２７ 露光装置
２８ 現像装置
２９ クリーニング装置
３０ 制御部
４０ 定着装置
４１ 定着ベルト（ベルトの一例）
４２ パッド（押圧部材の一例）
４３ ヒーター
４４ 加熱ローラー
４５ パッドフレーム
４５ａ パッドフレームの溝
４６ 加圧ローラー（回転体の一例）
４６ａ 加圧ローラーの表面
４７ 反射部材
５１ 定着ローラー（回転体の一例）
５２ 下ベルト（ベルトの一例）
５３ａ，５３ｂ，５３ｃ ローラー
４１０ パッドにおける定着ベルトを挟んで加圧ローラーと対向する面
４１１ パッドの平面部
４１１ａ 平面部の上流側端部
４１１ｂ 平面部の下流側端部
４１１ｃ 直線ＬＮ１と直線ＬＮ２との交点
４１２，４１３ パッドの曲面部（曲面部および他の曲面部の一例）
４１２ａ 曲面部４１２の曲率中心となる点
４１２ｂ 曲面部４１２における加圧ローラー側に最も突出した部分
４１３ａ 曲面部４１３の曲率中心となる点
４２１ パッドの突出部
ＬＮ１ 加圧ローラーの中心軸を通り用紙の搬送方向に対して平行な直線
ＬＮ２ 平面部４１１を延長した直線
Ｍ 用紙
ＮＰ 定着ニップ
ＰＯ１，ＰＯ２，ＰＯ３，ＰＯ４ 用紙の搬送方向の位置
Ｒ 加圧ローラーまたは定着ローラーの中心軸
Ｒ１ 曲面部４１２の曲率半径
Ｒ２ 加圧ローラーの曲率半径
Ｒ３ 曲面部４１３の曲率半径
ＴＲ 搬送経路
θ 傾斜角度

Claims (10)

1. 定着ニップに記録媒体を通過させることにより、トナー像を前記記録媒体に定着させる定着装置であって、
   回転する無端状のベルトと、
   前記ベルトの内側に配置され、内側から前記ベルトを押圧する押圧部材と、
   前記ベルトの外側に配置され、外側から前記ベルトの前記押圧部材に対向する位置を押圧することにより、前記ベルトとの間で前記定着ニップを形成する回転体とを備え、
   前記押圧部材における前記ベルトを挟んで前記回転体と対向する面は、
   平面部と、
   前記平面部における前記記録媒体の搬送方向下流側の端部において前記平面部と隣接する曲面部とを含み、
   前記回転体の中心軸と直交する断面で見た場合に、前記平面部における前記搬送方向上流側の端部は、前記平面部における前記搬送方向下流側の端部よりも、前記回転体の中心軸を通り前記搬送方向に対して平行な直線から離れており、
   前記平面部における前記搬送方向下流側の端部の前記搬送方向に沿った位置は、前記回転体の中心軸の前記搬送方向に沿った位置よりも上流側に存在する、定着装置。
2. 定着ニップに記録媒体を通過させることにより、トナー像を前記記録媒体に定着させる定着装置であって、
   回転する無端状のベルトと、
   前記ベルトの内側に配置され、内側から前記ベルトを押圧する押圧部材と、
   前記ベルトの外側に配置され、外側から前記ベルトの前記押圧部材に対向する位置を押圧することにより、前記ベルトとの間で前記定着ニップを形成する回転体とを備え、
   前記押圧部材における前記ベルトを挟んで前記回転体と対向する面は、
   平面部と、
   前記平面部における前記記録媒体の搬送方向下流側の端部において前記平面部と隣接する曲面部とを含み、
   前記回転体の中心軸と直交する断面で見た場合に、前記平面部における前記搬送方向上流側の端部は、前記平面部における前記搬送方向下流側の端部よりも、前記回転体の中心軸を通り前記搬送方向に対して平行な直線から離れており、
   前記曲面部の曲率中心は、前記回転体の中心軸とは異なる位置に存在する、定着装置。
3. 前記回転体の中心軸の前記搬送方向に沿った位置は、前記曲面部の曲率中心の前記搬送方向に沿った位置よりも下流側に存在する、請求項２に記載の定着装置。
4. 定着ニップに記録媒体を通過させることにより、トナー像を前記記録媒体に定着させる定着装置であって、
   回転する無端状のベルトと、
   前記ベルトの内側に配置され、内側から前記ベルトを押圧する押圧部材と、
   前記ベルトの外側に配置され、外側から前記ベルトの前記押圧部材に対向する位置を押圧することにより、前記ベルトとの間で前記定着ニップを形成する回転体とを備え、
   前記押圧部材における前記ベルトを挟んで前記回転体と対向する面は、
   平面部と、
   前記平面部における前記記録媒体の搬送方向下流側の端部において前記平面部と隣接する曲面部とを含み、
   前記回転体の中心軸と直交する断面で見た場合に、前記平面部における前記搬送方向上流側の端部は、前記平面部における前記搬送方向下流側の端部よりも、前記回転体の中心軸を通り前記搬送方向に対して平行な直線から離れており、
   前記曲面部における前記回転体側に最も突出した部分は、前記定着ニップの一部を形成する、定着装置。
5. 前記回転体の中心軸と直交する断面で見た場合に、前記平面部を延長した直線と、前記回転体の中心軸を通り前記搬送方向に対して平行な直線との交点の前記搬送方向に沿った位置は、前記平面部における前記搬送方向下流側の端部の前記搬送方向に沿った位置よりも下流側に存在する、請求項１～４のいずれかに記載の定着装置。
6. 前記曲面部の曲率半径は、前記定着ニップを形成しない状態の前記回転体の外周面の曲率半径よりも大きい、請求項１～５のいずれかに記載の定着装置。
7. 前記曲面部の曲率半径は、前記定着ニップを形成しない状態の前記回転体の外周面の曲率半径の２倍以下である、請求項１～６のいずれかに記載の定着装置。
8. 前記押圧部材における前記ベルトを挟んで前記回転体と対向する面は、前記平面部における前記記録媒体の搬送方向上流側の端部において前記平面部と隣接する他の曲面部をさらに含み、
   前記曲面部の曲率中心と前記他の曲面部の曲率中心とは、前記押圧部材における前記ベルトを挟んで前記回転体と対向する面を基準として、互いに異なる側に存在する、請求項１～７のいずれかに記載の定着装置。
9. 前記回転体の中心軸と直交する断面で見た場合に、前記回転体の中心軸を通り前記搬送方向に対して平行な直線に対する前記平面部の傾斜角度は、０．５度以上２５度以下である、請求項１～８のいずれかに記載の定着装置。
10. 前記トナー像を前記記録媒体に形成する画像形成部と、
    請求項１～９のいずれかに記載の定着装置とを備えた、画像形成装置。

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