JP7163157B2 - 定着装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、定着装置および画像形成装置に関する。

定着装置は、定着ベルトと、加圧ローラと、加熱部材とを備える。加圧ローラは、定着ベルトに圧接してニップを形成する。加熱部材は、定着ベルトとローラとの間でシートを加熱する。加熱部材は、加熱ヒータと、加熱ヒータを保持する保持部材とを備える。
加熱部材は、ニップ側の面が湾曲凸形状とされることがある。この構造により、加圧ローラは、たわんだ状態で定着ベルトを押圧するため、ニップにおける圧力を軸方向に均一化することができる。

加熱部材は、ニップ側の面が湾曲凸形状であるため、加圧ローラによって押圧されると曲げ応力が生じる。曲げ応力は、加圧ローラによる押圧が解除されると小さくなる。加熱部材は、加圧ローラによる加圧と非加圧が繰り返されるため、曲げ応力も増減を繰り返す。そのため、加熱部材は、耐久性が低くなる可能性があった。

特開２０１０－１８１８４０号公報

本発明が解決しようとする課題は、加熱部の耐久性を高めることが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。

実施形態の定着装置は、定着ベルトと、加圧ローラと、支持部材と、加熱部材と、を持つ。前記定着ベルトは、周回移動が可能に支持され、無端状とされている。前記加圧ローラは、前記定着ベルトの外周面に接触し、前記定着ベルトとの間にシートを挟むニップを形成する。前記支持部材は、前記定着ベルトの内側に配置され、前記定着ベルトの軸方向に延在する。前記加熱部材は、前記定着ベルトの内側に配置されて前記支持部材に支持される。前記加熱部材は、前記定着ベルトの軸方向に延在する。前記加熱部材は、前記加圧ローラが前記定着ベルトを加圧しないときに、前記加圧ローラ側の第１主面とは反対の第２主面の端部が前記支持部材から離間している。前記加熱部材は、係止構造を有する位置決め機構によって、前記軸方向の中央で前記支持部材に対して位置決めされている。

実施形態の画像形成装置の概要を示す図。 実施形態の定着装置の正面図。 実施形態の定着装置の加熱部材の断面図。 非加圧時の定着装置の構成図。 加圧時の定着装置の構成図。 加熱部材および支持部材の変形量を示す図。

以下、実施形態の定着装置および画像形成装置を、図面を参照して説明する。

図１は、実施形態の画像形成装置の概要を示す図である。図１に示すように、画像形成装置１は、読取り部Ｒ、画像形成部Ｐ、給紙カセット部Ｃを有する。以下、必要に応じてＸＹＺ座標系を用いて図示および説明を行う。Ｘ方向は水平方向である。Ｘ方向は画像形成装置１の横幅方向である。Ｙ方向は水平面内においてＸ方向に直交する方向である。Ｙ方向は画像形成装置１の前後方向である。Ｚ方向はＸ方向およびＹ方向に直交する方向である。Ｚ方向は画像形成装置１の高さ方向である。

読取り部Ｒは、原稿台に設置される原稿シートをＣＣＤ（Charge-Coupled Device）イメージセンサなどで読み取り、光信号を生成する。読取り部Ｒは、生成した光信号をデジタルデータに変換する。画像形成部Ｐは、読取り部Ｒで読み取られた原稿画像、もしくは外部のパーソナルコンピュータからの印刷データを取得する。画像形成部Ｐは、取得した原稿画像または印刷データに基づくトナー像をシート上に形成する。画像形成部Ｐは、シート上に形成したトナー像を定着させる。

画像形成部Ｐは、レーザ走査部２００と感光ドラム２０１Ｙ、２０１Ｍ、２０１Ｃ、２０１Ｋとを有する。レーザ走査部２００は、ポリゴンミラー２０８と光学系２４１とを有する。レーザ走査部２００は、シート上に形成する像を感光ドラム２０１Ｙ～２０１Ｋに照射する。シート上の像は、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の各色の画像信号に基づく像である。

感光ドラム２０１Ｙ～２０１Ｋは、不図示の現像装置から供給される各色トナーを、シート上の照射位置に従って保持する。感光ドラム２０１Ｙ～２０１Ｋは、保持したトナー像を転写ベルト２０７に順次転写する。転写ベルト２０７は、無端ベルトであり、ローラ２１３が回転駆動することで、転写位置Ｔまでトナー像を搬送する。

搬送路１０１は、給紙カセット部Ｃと、転写位置Ｔと、定着装置３０と、排出トレイ２１１とを繋いでいる。給紙カセット部Ｃにストックされたシートは、搬送路１０１に沿って転写位置Ｔまで搬送される。転写位置Ｔでは、転写ベルト２０７がトナー像をシートに転写する。

トナー像が転写されたシートは、搬送路１０１に沿って定着装置３０まで搬送される。定着装置３０は、トナー像を加熱し、溶融することで、シートへ浸透させて定着させる。これにより、シート上のトナー像が外力によって乱されることが防がれる。トナー像が定着したシートは、搬送路１０１に沿って排出トレイ２１１まで搬送される。搬送されたシートは、排出トレイ２１１から画像形成装置１の外部に排出される。

制御部８０１は、画像形成装置１内の装置や機構を統括的に制御するユニットである。制御部８０１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などの中央演算装置と揮発性／不揮発性の記憶装置とを含む。制御部８０１は、中央演算装置が記憶装置に記憶されたプログラムを演算実行することで、画像形成装置１内の装置と機構とを制御する。また、機能の一部を回路として実装してもよい。

なお、形成対象の画像（トナー画像）を転写位置Ｔまで搬送し、シート上に転写するまでの各ユニットを含めた構成を転写部４０とする。

次に、定着装置３０について詳細に説明する。定着装置３０は、いわゆるダイレクトヒート方式の定着部である。
図２は、加圧形態Ｐ２（図５参照）における定着装置３０の正面図である。なお、定着ベルト３１の軸方向を単に「軸方向」ということがある。

図２に示すように、定着装置３０は、定着ベルト（ベルト）３１と、加圧ローラ（ローラ）３２と、加熱部材３３と、支持部材３４とを備える。図２において、「Ｔ」は、定着ベルト３１および加圧ローラ３２の定着ニップＮにおける接線である。接線Ｔは、軸方向（Ｙ方向）に直交する。

定着ベルト３１は、可撓性を有する材料によって筒状に形成されている。定着ベルト３１は、無端状のベルト状部材（フィルム状も含む）である。定着ベルト３１は、図示はしないが、基層と、弾性層と、表面離型層とを備える。基層は、耐熱性の高いシート状部材で構成される。基層は、ニッケル、ステンレス等の金属材料；ポリイミド（ＰＩ）等の樹脂材料などで構成される。基層の内面には、加熱部材３３に対する摩擦摺動性をよくするため、表面コーティングを施してもよい。弾性層は、シリコーンゴム等の弾性材料で構成される。表面離型層は、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（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等で構成される。ウォーミングアップタイムを長くしないため、弾性層および表面離型層は、熱容量が大きすぎないように厚みを選択する。
定着ベルト３１は、図示しない支持機構に支持された状態で、定着ベルト３１の軸の周りに周回移動が可能である。

加圧ローラ３２は、定着ベルト３１と並べて配置されている。加圧ローラ３２は、芯部材３２ａと、弾性層３２ｂとを持つ。芯部材３２ａは、金属等により円筒状に形成されている。芯部材３２ａの両端部は、軸受（図示略）を介して定着装置３０における支持体（図示略）に支持されている。芯部材３２ａは、軸周りに回転可能である。弾性層３２ｂは、芯部材３２ａの外周面に設けられている。弾性層３２ｂは、発泡性シリコーンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム等から形成される。弾性層３２ｂの外周面には、離型層（図示略）が形成されていてもよい。離型層には、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ等が用いられる。

加圧ローラ３２は、図示しない加圧手段によって定着ベルト３１側へ加圧され、定着ベルト３１の外周面に接触する。加圧ローラ３２と定着ベルト３１とが圧接する部分では、加圧ローラ３２の弾性層３２ｂが弾性的に圧縮されることにより、シートＳの搬送方向に所定の幅を有する定着ニップ（ニップ）Ｎが形成されている。定着ニップＮでは、加圧ローラ３２は、定着ベルト３１との間にシートＳを挟む。

加圧ローラ３２は、モータ等の駆動源（図示略）によって回転駆動する。例えば、加圧ローラ３２は、前記駆動源とギア列（図示略）とを備える駆動機構により回転駆動することができる。加圧ローラ３２が回転駆動すると、その駆動力は定着ニップＮで定着ベルト３１に伝達され、定着ベルト３１は従動回転する。定着ベルト３１は、シートＳを搬送するときに、定着ベルト３１の周方向の第１の向き（送出し向き）Ｄ１に回転する。

加圧ローラ３２は、図示しない切替機構によって、非加圧形態Ｐ１（後述）と加圧形態Ｐ２（後述）とを切り替えできる。加圧ローラ３２は、駆動しないときには非加圧形態Ｐ１とし、回転駆動時のみ加圧形態Ｐ２とすることができる。これによって、定着ベルト３１および加圧ローラ３２のクリープを抑制することができる。

加圧ローラ３２の、定着ニップＮに対向する面は、接線Ｔ（図２参照）と平行な方向から見て、軸方向（Ｙ方向）に沿うストレート形状（直線状）とされている（図４参照）。

加熱部材３３は、加熱ヒータ３５と、保持部材３６とを備える。加熱部材３３は、定着ベルト３１の内側に配置される。加熱部材３３は、軸方向（Ｙ方向）に沿う長板状に形成されている。加熱部材３３は、概略、厚み方向を加圧ローラ３２に向けて配置されている。加熱部材３３については、加圧ローラ３２に近づく方向を前方という。加圧ローラ３２から離れる方向を後方という。加熱部材３３の前面３３ａ（第１主面）は、定着ベルト３１に接触する面である。前面３３ａは、定着ニップＮ側の面である。後面３３ｂ（第２主面）は、前面３３ａとは反対の面である。後面３３ｂは、定着ニップＮ側とは反対の面である。

加熱ヒータ３５は、保持部材３６の保持凹部３６ｃ内に設けられている。加熱ヒータ３５の前面３５ａは、加熱部材３３の前面３３ａの一部を構成する。加熱ヒータ３５は、抵抗被膜（図示略）と、基板（図示略）と、保護層（図示略）とを備える。前記抵抗被膜は前記基板に積層されている。前記抵抗被膜は、通電により発熱する。前記抵抗被膜は、軸方向（Ｙ方向）に複数に分割されていてもよい。分割された複数の抵抗被膜は独立に通電できることが好ましい。これにより、複数の抵抗被膜について独立に温度を定めることができるため、シートＳが通る領域だけを加熱することができる。前記基板は、セラミック、ステンレス等で構成される。前記保護層は、前記抵抗被膜および前記基板の表面に設けられる。例えば、前記保護層はＳｉＯ_２で構成される。加熱ヒータ３５は、概略、厚み方向を加圧ローラ３２に向けて配置されている。

保持部材３６の前面３６ａには、加熱ヒータ３５が設けられる保持凹部３６ｃが形成されている。保持凹部３６ｃは、軸方向（Ｙ方向）に沿う溝状とされている。保持部材３６は、加熱ヒータ３５を保持する。
保持部材３６は、軸方向（Ｙ方向）に延在する。保持部材３６は、軸方向（Ｙ方向）に沿う長板状に形成されている。保持部材３６は、シリコーンゴム、フッ素ゴム等の弾性材料；ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）等の耐熱性樹脂などで構成される。

保持凹部３６ｃと加熱ヒータ３５の間には、図示しない高熱伝導部材を配置してもよい。例えば、高熱伝導部材はシート状に形成される。高熱伝導部材は保持凹部３６ｃおよび加熱ヒータ３５に比べて熱伝導率が高い。例えば、高熱伝導部材は、銅、アルミニウム等の、熱伝導率の高い金属で構成される。高熱伝導部材としては、グラファイトシートを用いてもよい。高熱伝導部材は、定着ベルト３１および加熱ヒータ３５の長手方向の温度勾配を小さくし、局部的な温度上昇を防ぐ効果がある。

図３は、加熱部材３３の断面図である。図３は、定着ニップＮにおいて接線Ｔ（図２参照）に直交する断面（図２に示すＩ－Ｉ断面）を示す図である。

図３に示すように、加熱部材３３の前面３３ａは、定着ニップＮの位置において、接線Ｔと平行な方向から見て、軸方向（Ｙ方向）に沿うストレート形状（直線状）とされている。加熱部材３３の後面３３ｂ（定着ニップＮ側とは反対の面）は、接線Ｔと平行な方向から見て、湾曲凸形状とされている。例えば、湾曲凸形状とは、円弧状であってもよいし、楕円弧状、放物線状、双曲線状などの高次曲線状（例えば二次曲線状）であってもよい。前面３３ａの断面がストレート形状、かつ後面３３ｂの断面が湾曲凸形状であるため、加熱部材３３は、軸方向（Ｙ方向）の端部３３ｃに比べて、中央部３３ｄが厚く形成されている。

詳しくは、保持部材３６の保持凹部３６ｃの底面は、軸方向（Ｙ方向）に沿うストレート形状とされている。保持部材３６の後面３６ｂ（後面３３ｂ）は湾曲凸形状とされている。これにより、保持部材３６は、軸方向（Ｙ方向）の端部３６ｄに比べて、中央部３６ｅが厚く形成されている。加熱ヒータ３５の厚みは、軸方向（Ｙ方向）に一定である。

図３に示す加熱部材３３は、端部３３ｃにおいて最も薄い。端部３３ｃにおける加熱部材３３の厚みをＴｍｉｎとする。例えば、加熱部材３３の両方の端部３３ｃの厚みは互いに等しい。加熱部材３３は、中央部３３ｄにおいて最も厚い。中央部３３ｄにおける加熱部材３３の厚みをＴｍａｘとする。

図２に示すように、支持部材３４は、保持部材３６を支持する。支持部材３４は、上部保持板３７と、連結部材３８と、下部保持板３９とを持つ。例えば、上部保持板３７は、ＸＹ平面に沿って延在する。上部保持板３７の前端部３７ａは、軸方向（Ｙ方向）の少なくとも一部が保持部材３６の上部に達している。連結部材３８は、上部保持板３７の後端部３７ｂから下方に向かって延出している。下部保持板３９は、連結部材３８の下端部から保持部材３６に近づく方向に延出する。下部保持板３９は上部保持板３７と平行である。下部保持板３９の前端部３９ａは、軸方向（Ｙ方向）の少なくとも一部が保持部材３６の下部に達している。

図４は、加圧ローラ３２が定着ベルト３１を加圧しないときの定着装置３０の構成図である。図４は、接線Ｔ（図２参照）と平行な方向から見た図である。
図４に示すように、加圧ローラ３２が定着ベルト３１を加圧しないときの定着装置３０の形態を「非加圧形態Ｐ１」という。非加圧形態Ｐ１では、加熱部材３３の後面３３ｂのうち中央部３３ｄを含む範囲は支持部材３４に当接する。加熱部材３３の後面３３ｂは、湾曲凸形状であるため、加熱部材３３の後面３３ｂのうち端部３３ｃを含む部分は、支持部材３４から離間している。

加熱部材３３は、位置決め機構５０を用いて支持部材３４に対して位置決めすることができる。位置決め機構５０は、位置決め部材５１と、係止爪５２とを持つ。位置決め部材５１は、係止爪５２が係止する係止穴５３を有する。位置決め部材５１は、支持部材３４（例えば、上部保持板３７および下部保持板３９）の軸方向（Ｙ方向）の中央に設けられる。係止爪５２は、加熱部材３３の軸方向（Ｙ方向）の中央に設けられる。加熱部材３３は、係止爪５２が位置決め部材５１の係止穴５３に係止することによって、支持部材３４に対して位置決めされる。

加熱部材３３は、位置決め機構５０によって、軸方向（Ｙ方向）の中央において支持部材３４に対して位置決めされる。そのため、支持部材３４のたわみによる変位の影響を受けずに加熱部材３３を位置決めできる。

加熱部材３３の厚みＴｍｉｎおよび厚みＴｍａｘは、加圧ローラ３２により定着ベルト３１を加圧するときの支持部材３４のたわみ量に合わせて設計する。例えば、加熱部材３３と支持部材３４の最大隙間を「Ｇ」とすると、厚みＴｍｉｎおよび厚みＴｍａｘは、次の式（１）が成立するように設定する。例えば、最大隙間Ｇは、加熱部材３３の端部３３ｃと支持部材３４との隙間である。

Ｇ ≧ Ｔｍａｘ－Ｔｍｉｎ ・・・（１）

式（１）が成立すると、加熱部材３３の前面３３ａをストレート形状に保つことができるため、加熱部材３３に不要な応力がかかるのを抑制できる。

図５は、加圧ローラ３２が定着ベルト３１を加圧するときの定着装置３０の構成図である。図５は、接線Ｔ（図２参照）と平行な方向から見た図である。
図５に示すように、加圧ローラ３２が定着ベルト３１を加圧するときの定着装置３０の形態を「加圧形態Ｐ２」という。加圧形態Ｐ２では、加圧ローラ３２は、加熱部材３３を介して支持部材３４を押圧する。加熱部材３３は、湾曲凸形状とされた後面３３ｂが支持部材３４の中央部を含む範囲を押圧する。そのため、支持部材３４は、軸方向（Ｙ方向）の中央を含む範囲が後方に押圧され、後方に凸となる湾曲形状となる。

加圧形態Ｐ２における加熱部材３３の端部３３ｃと支持部材３４との距離は、非加圧形態Ｐ１における加熱部材３３の端部３３ｃと支持部材３４との距離より小さい。加熱部材３３による押圧力が十分に高ければ、支持部材３４は、軸方向（Ｙ方向）の全長にわたって加熱部材３３の後面３３ｂに当接する。

図４に示すように、加圧ローラ３２による押圧が解除されると、定着装置３０は非加圧形態Ｐ１となる。

加圧ローラ３２の定着ニップＮに対向する面と、加熱部材３３の前面３３ａとは、いずれもストレート形状である。そのため、加圧ローラ３２により加熱部材３３に加えられる押圧力は、軸方向（Ｙ方向）に均等である。したがって、非加圧形態Ｐ１から加圧形態Ｐ２に移行する際に、加熱部材３３に生じる曲げ応力は小さい。よって、加熱部材３３の曲げ変形は小さい。

図６は、加熱部材３３および支持部材３４の変形量を示す図である。図６に示すように、非加圧形態Ｐ１から加圧形態Ｐ２に移行する際に、加熱部材３３の前面３３ａ（加熱部材のニップ側の面）のシフト量は、軸方向（Ｙ方向）にほぼ一定である。一方、支持部材３４のシフト量は、中央部で大きく、端部で小さい。

定着装置３０は、加圧形態Ｐ２において加熱部材３３に生じる曲げ応力が小さいため、非加圧形態Ｐ１と加圧形態Ｐ２とが繰り返される場合でも、加熱部材３３の耐久性を高めることができる。
定着装置３０は、加熱部材３３の前面３３ａがストレート形状であるため、加熱ヒータの曲げ加工は不要である。よって、製造性の点で優れている。

なお、加熱部材の軸方向の最も厚い箇所は、中央部に限定されず、中央部よりも端部寄りの箇所であってもよい。
実施形態の加熱部材３３は、加熱部材３３の前面３３ａがストレート形状であり、後面３３ｂが湾曲凸形状であるが、加熱部材の形状はこの形状に限定されない。例えば、加熱部材の前面は湾曲凸形状であってもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、加圧ローラにより加圧されたときに加熱部材に生じる曲げ応力が小さいため、加熱部材の耐久性を高めることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…画像形成装置、３１…定着ベルト、３２…加圧ローラ、３３…加熱部材、３４…支持部材、３３ａ…前面（第１主面）、３３ｂ…後面（第２主面）、３３ｃ…端部、３３ｄ…中央部、５０…位置決め機構、Ｎ…定着ニップ（ニップ）、Ｐ１…非加圧形態、Ｐ２…加圧形態、Ｓ…シート

Claims (5)

1. 周回移動が可能に支持された無端状の定着ベルトと、
   前記定着ベルトの外周面に接触し、前記定着ベルトとの間にシートを挟むニップを形成する加圧ローラと、
   前記定着ベルトの内側に配置され、前記定着ベルトの軸方向に延在する支持部材と、
   前記定着ベルトの内側に配置されて前記支持部材に支持され、前記定着ベルトの軸方向に延在し、前記加圧ローラが前記定着ベルトを加圧しないときに、前記加圧ローラ側の第１主面とは反対の第２主面の端部が前記支持部材から離間している加熱部材と、
   を備え、
   前記加熱部材は、係止構造を有する位置決め機構によって、前記軸方向の中央で前記支持部材に対して位置決めされている、定着装置。
2. 前記加熱部材の第１主面は、前記ニップにおける接線と平行な方向から見て、前記軸方向に沿う直線状に形成され、
   前記加熱部材の第２主面は、前記ニップにおける接線と平行な方向から見て、湾曲凸形状に形成されている、請求項１記載の定着装置。
3. 前記加圧ローラは、前記定着ベルトを加圧しない非加圧形態と、前記定着ベルトを加圧する加圧形態とを切り替え可能であり、
   前記加圧形態における前記加熱部材の端部と前記支持部材との距離は、前記非加圧形態における前記加熱部材の端部と前記支持部材との距離より小さい、請求項１または２に記載の定着装置。
4. 前記加熱部材の最大の厚みをＴｍａｘ、最小の厚みをＴｍｉｎとし、前記加熱部材と前記支持部材の最大の隙間をＧとすると、次の式（１）が成立する、請求項１～３のうちいずれか１項に記載の定着装置。
   Ｇ ≧ Ｔｍａｘ－Ｔｍｉｎ ・・・（１）
5. 請求項１～４のうちいずれか１項に記載の定着装置を備える画像形成装置。

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