JP7388040B2 - 定着装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、プリンタ、複写機、ファクシミリなどの画像形成装置などにおいてトナー像を熱と圧力とで記録紙などの記録媒体に定着する定着装置およびその定着装置を搭載した画像形成装置に関する。

複写機、プリンタ、ファクシミリ、あるいはこれらを統合した複合機等の画像形成装置は、電子写真方式で形成されたトナー像を記録媒体上に定着する定着装置を有している。
このような定着装置において、ニップ形成部材と加圧ローラとで無端状の定着ベルトを挟み、ベルト内部に配置されたヒータによって定着ベルトを加熱する方式が知られている。

このような定着ベルトを用いた構成において、ベルト端部にフランジ部を設けるとともに定着ベルトにテンションをかけて定着ベルトの姿勢を維持する構成が知られている。（例えば特許文献１、２等参照）
こうした構成においては、フランジ部と定着ベルトの摺動抵抗と、ニップ形成部材と定着ベルトの摺動抵抗とを低減することが求められている。

しかしながら、特に定着ベルトを直接加熱する方式においては、定着ベルトの中央部と、端部との間では温度差が生じてしまい、かかる温度差により潤滑剤の物理特性が異なってしまい、回転負荷が大きくなってしまうという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ベルト端部におけるトルク上昇要因を排除した定着装置の提供を目的とする。

本発明に係る定着装置は、上記課題を解決するために、可撓性を有する無端状のベルトと、前記ベルトの外側に設けられ、前記ベルトに対向する加圧部材と、前記ベルトの内側に設けられ、金属材料の表面にフッ素コーティングを施された凹形状の板材を備え前記ベルトと前記加圧部材との間に定着ニップを形成するニップ形成部材と、前記ベルトを加熱する熱源と、前記ベルトの端部を支持するフランジ部と、前記ニップ形成部材と前記ベルトの内面との間に塗布された第１の潤滑剤と、前記フランジ部と前記ベルトの内面との間に塗布された前記第１の潤滑剤とは温度特性の異なる第２の潤滑剤と、を有する定着装置であって、当該定着装置の実使用時の温度において、同一温度における前記第２の潤滑剤の粘度は、前記第１の潤滑剤の粘度よりも小さく、前記フランジ部の実使用時の温度における前記第２の潤滑剤の粘度は、前記定着ニップの中央部付近における実使用時の温度における前記第１の潤滑剤の粘度に比べて同等以下であることを特徴とする。

本発明によれば、ベルト端部と中央部との温度差によって生じるトルク上昇要因を排除することができる。

本発明の一実施形態に係る定着装置を備える画像形成装置の構成を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る画像形成装置の定着装置の断面図である。 本発明の一実施形態に係るフランジ部の構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る定着ベルト３の内部の構成を示す図である。 定着装置において用いられる複数の潤滑剤のそれぞれの温度特性の一例を示すグラフである。 本実施形態と比較例とによる回転負荷の差を示す図である。

次に、本発明の定着装置および画像形成装置に係る一実施形態について図面を参照して
説明する。

図１に示した画像形成装置１００は、複数の色画像を形成する作像部が並んで配置されたタンデム方式のカラープリンタである。本発明はこの方式に限定されるものではなく、またプリンタだけではなく複写機やファクシミリ装置などを対象とすることも可能である。

図１に示すように、本実施形態に係る画像形成装置１００は、イエロー、シアン、マゼンタ、ブラックの各色に分解された色にそれぞれ対応する像としての画像を形成可能な像担持体としての感光体ドラム２０Ｙ、２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｂｋを並設したタンデム構造が採用されている。

画像形成装置１００は、色毎の画像形成処理を行う４つの画像ステーションと、各感光体ドラム２０Ｙ、２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｂｋの上方に対向して配設され、転写ベルト１１および１次転写ローラ１２Ｙ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｂｋを備えた転写ベルトユニット１０と、転写ベルト１１に対向して配設され転写ベルト１１に従動し、連れ回りする２次転写ローラ１０５と、転写ベルト１１に対向して配設され転写ベルト１１をクリーニングするベルトクリーニング装置１３と、これら４つの画像ステーションの下方に対向して配設された光書き込み装置１０８と、を有している。
画像形成装置１００はまた、感光体ドラム２０Ｙ、２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｂｋと転写ベルト１１との間に向けて搬送される記録材Ｓを積載した給紙カセットとしてのシート給送装置６１が設けられている。また、シート給送装置６１から搬送されてきた記録媒体たる記録材Ｓを、画像ステーションによるトナー像の形成タイミングに合わせた所定のタイミングで、各感光体ドラムと転写ベルト１１との間の転写部に向けて繰り出すレジストローラ対１０４が設けられている。また、記録材Ｓの先端がレジストローラ対１０４に到達したことを検知するセンサが設けられている。

画像形成装置１００にはまた、トナー像が転写された記録材Ｓにトナー像を定着させるためのローラ定着方式の定着ユニットとしての定着装置２００と、定着済みの記録材Ｓを画像形成装置１００の本体外部に排出する排出ローラ７が備えられている。また、画像形成装置１００の本体上部には、排出ローラ７により画像形成装置１００の本体外部に排出された記録材Ｓを積載する排紙トレイ１７が備えられている。また、排紙トレイ１７の下側には、イエロー、シアン、マゼンタ、ブラックの各色のトナーを充填されたトナーボトル９Ｙ、９Ｃ、９Ｍ、９Ｂｋが備えられている。

画像形成装置１００では、各感光体ドラム２０Ｙ、２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｂｋに形成された可視像が、各感光体ドラム２０Ｙ、２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｂｋに対峙しながら矢印Ａ１方向に移動可能な無端ベルトである中間転写体（以下、転写ベルトという）１１に対して１次転写される。この１次転写工程の実行によってそれぞれの色の画像が転写され、その後、記録シートなどが用いられる記録材Ｓに対して２次転写工程を実行することで一括転写される。

各感光体ドラム２０Ｙ、２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｂｋの周囲には、当該感光体ドラム２０Ｙ、２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｂｋの回転に従い画像形成処理するための装置が配置されている。このうち、黒色の画像形成を行う感光体ドラム２０Ｂｋを代表として説明すると、感光体ドラム２０Ｂｋの回転方向に沿って画像形成処理を行う帯電装置３０Ｂｋ、現像装置４０Ｂｋ、１次転写ローラ１２Ｂｋおよびクリーニング装置５０Ｂｋが配置されている。帯電後に行われる書き込み光Ｌｂを用いた書き込みには、光書き込み装置８が用いられる。

転写ベルト１１への転写では、転写ベルト１１がＡ１方向に移動する過程において、各感光体ドラム２０Ｙ、２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｂｋに形成された可視像が、転写ベルト１１の同じ位置に重ねて転写される。このために、転写は、転写ベルト１１を挟んで各感光体ドラム２０Ｙ、２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｂｋに対向して配設された１次転写ローラ１２Ｙ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｂｋによる電圧印加によって、Ａ１方向上流側から下流側に向けてタイミングをずらして行われる。

各感光体ドラム２０Ｙ、２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｂｋは、本実施形態では、Ａ１方向の上流側からこの順で並んでいる。各感光体ドラム２０Ｙ、２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｂｋは、イエロー、シアン、マゼンタ、ブラックの画像をそれぞれ形成するための画像ステーションに備えられている。

光書き込み装置８は、光源としての半導体レーザ、カップリングレンズ、ｆθレンズ、トロイダルレンズ、折り返しミラーおよび偏光手段としての回転多面鏡などを有している。
光書き込み装置８は、各感光体ドラム２０Ｙ、２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｂｋに対して色毎に対応した書き込み光Ｌｂを出射して感光体ドラム２０Ｙ、２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｂｋに静電潜像を形成するよう構成されている。書き込み光Ｌｂは、図１では、便宜上、ブラック画像の画像ステーションのみを対象として符号が付けてあるが、その他の画像ステーションも同様である。

転写ベルトユニット１０は、転写ベルト１１、１次転写ローラ１２Ｙ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｂｋの他に、転写ベルト１１が掛け回されている駆動ローラ７２および従動ローラ７３を有している。

従動ローラ７３は、転写ベルト１１に対する張力付勢手段としての機能も備えており、このため、従動ローラ７３には、バネなどを用いた付勢手段が設けられている。このような転写ベルトユニット１０と、１次転写ローラ１２Ｙ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｂｋと、２次転写ローラ５と、ベルトクリーニング装置１３とで転写装置７１が構成されている。

シート給送装置６１は、画像形成装置１００の本体下部に配設されており、最上位の記録材Ｓの上面に当接する給送ローラ３を有している。給送ローラ３が図中反時計回りに回転駆動されることにより、最上位の記録材Ｓをレジストローラ対１０４に向けて給送するようになっている。

転写装置７１に装備されているベルトクリーニング装置１３は、詳細な図示を省略するが、転写ベルト１１に対向、当接するように配設されたクリーニングブラシとクリーニングブレードとを有している。ベルトクリーニング装置１３は、転写ベルト１１上の残留トナー等の異物をクリーニングブラシとクリーニングブレードとにより掻き取り、除去して、転写ベルト１１をクリーニングするようになっている。

ベルトクリーニング装置１３はまた、転写ベルト１１から除去した残留トナーを搬出し廃棄するための排出手段を有している。

画像形成装置１００は、例えば本体上部に操作部３１０を備えている。操作部３１０は、タッチパネルや各種キー等を有し、ユーザーがこれらのツールを操作することにより、例えば所望の機能の選択、当該機能に関する種々の設定等に係る各種指令を入力可能となっている。

画像形成装置１００は、ユーザーによって、操作部３１０を用いて例えばコピー機能、コピーサイズおよび枚数が選択され、コピー開始操作が行われると、選択されたサイズに対応するシート給送装置６１の給紙カセットから記録材Ｓを給紙する一方で電子写真プロセス制御を実行し、該電子写真プロセスにより形成された多色重畳トナー像を転写ベルト１１に転写（１次転写）しさらに記録材Ｓに転写（２次転写）する画像形成プロセスを印刷枚数分繰り返し実行する。
かかる画像形成プロセスでトナー像が転写された記録材Ｓは、その後、定着装置２００を通過する際に定着装置２００によって熱と圧力によりトナー像が上面に定着され、排紙トレイ１７へと排出される。

次に、本実施形態にかかる定着装置２００の概略構成について図２を参照して説明する。

図２に示すように、定着装置２００は、回転可能な定着部材であって可撓性を有する無端状のベルト部材である定着ベルト３と、定着ベルト３の外側に設けられ、定着ベルト３に対向配置されて回転可能な加圧部材としての加圧ローラ４と、を有している。
定着装置２００はまた、定着ベルト３を加熱するための熱源としてのハロゲンヒータ９と、定着ベルト３の内側に設けられ、加圧ローラ４とともに定着ベルト３を挟持して定着ニップを形成するためのニップ形成部材８０と、を有している。
記録材Ｓ上に形成されたトナー像は、図２のＡ方向として示されたように定着ベルト３と加圧ローラ４との間に形成された定着ニップにおいて、熱と圧力とを加えられることで定着される。

定着ベルト３は、基材としてニッケルやＳＵＳなどの金属ベルトやポリイミドなどの樹脂材料を用いた無端ベルトまたはフィルムで構成される。定着ベルト３の表層はＰＦＡまたはＰＴＦＥ層などの離型層を有し、トナーが付着しないように離型性を持たせている。定着ベルト３の基材とＰＦＡまたはＰＴＦＥ層の間にはシリコーンゴムの層などで形成された弾性層があっても良い。シリコーンゴム層がない場合は熱容量が小さくなり、定着性が向上するが、未定着画像を押し潰して定着させるときにベルト表面の微小な凹凸が画像に転写されて画像のベタ部にユズ肌状の光沢ムラ（ユズ肌画像）が残るという不具合が生じ得る。これを改善するにはシリコーンゴム層を１００［μｍ］以上設けることが望ましい。１００［μｍ］以上の厚みのシリコーンゴム層の変形により、微小な凹凸が吸収されユズ肌画像が改善する。

定着ベルト３の回転中心軸方向両側の端部には、図３、図４に示すように、定着ベルト３の姿勢を維持するためのベルト支持部材９０ａ、９０ｂが配置されている。
ベルト支持部材９０ａ、９０ｂは、それぞれ側板９１ａ、ｂと、側板９１ａ、ｂから立ち上がり定着ベルト３の内周側を支持するための円筒部９２ａ、ｂとを有している。
このように、ベルト支持部材９０ａ、９０ｂは、定着ベルト３の端部を支持するフランジ部としての機能を有している。

ベルト支持部材９０ａ、９０ｂの定着ベルト３と当接する部分には、第２の潤滑剤たる端部用潤滑剤７が塗布されている。
なお、本実施形態においては、端部用潤滑剤７は、シリコーンオイルである。

加圧ローラ４は、芯金と、芯金上に形成された弾性層とを有する直径３０～４０ｍｍ程度の円筒形状の回転体であり、定着ベルト３の外周面に当接して定着ニップを形成する加圧回転体である。
弾性層は、発泡性シリコーンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴムなどの材料で構成されている。なお弾性層の表層には、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ等の薄肉の離型層を設けるとしても良い。

加圧ローラ４は、中空のローラであっても良く、加圧ローラ４にハロゲンヒータなどの加熱源を有していても良い。弾性層は、ソリッドゴムでも良いが、加圧ローラ４内部にヒータが無い場合は、スポンジゴムを用いても良い。スポンジゴムの方が、断熱性が高まり定着ベルト３の熱が奪われにくくなるので、より望ましい。
加圧ローラ４は、モータ等の駆動手段によって図２の右回り方向に回転駆動されており、かかる加圧ローラ４の回転によって定着ベルト３も従動して回転する。

ハロゲンヒータ９は、定着ベルト３の内周側に配置されたヒータであり、定着ベルト３を内周側から輻射熱により直接加熱する加熱手段である。

ニップ形成部材８０は、図４に示すように、定着ベルト３の内周面に当接してニップを形成するための均熱板８２と、均熱板８２の定着ベルト３に対して反対側に配置された支持部材８１と、を有している。
ニップ形成部材８０は、均熱板８２と支持部材８１とを支持するニップ支持部材たるステー８に支持されて、定着ベルト３の内周側に配置される。図４では簡単のため、それぞれの部材について離間した態様で記載したが、図２のように組み合わされている。

均熱板８２は、本実施形態では、アルミニウムの表面にフッ素コーティングを施された凹形状の板材である。
均熱板８２は、かかる構成に限定されるものでなく、熱伝導性の良い金属であれば良い。あるいは、摺動性の向上を目的として繊維材を使用するとしても良い。
均熱板８２の表側すなわち定着ベルト３の内周面と摺動する部位には、第１の潤滑剤たるニップ用潤滑剤６が塗布されている。
なお、本実施形態においては、ニップ用潤滑剤６は、フッ素グリスである。

支持部材８１は、均熱板８２の裏側に、均熱板８２を支持するように配置される。
ステー８は、定着ニップ側と反対側が起立した起立部を有した形状となっており、起立部を隔て、定着ベルト３を加熱する熱源としてのハロゲンヒータ９が配置されている。かかる構成により定着ベルト３は、ハロゲンヒータ９により内面側から輻射熱で直接加熱される。
また、本実施形態においてはステー８は、ベルト支持部材９０ａ、ｂによってその両端を固定して支持される。定着ベルト３は、かかるニップ形成部材８０とステー８とによって、加圧ローラ２０３により圧力を受けるニップ形成部材８０の撓みを防止し、軸方向で均一なニップ幅を得られるようにしている。また、ハロゲンヒータ９とステー８の間に反
射部材２０９を備え、ハロゲンヒータ９からの輻射熱などによりステー８が加熱されてしまうことによる無駄なエネルギー消費を抑制している。ここで反射部材２０９を備える代わりに、ステー８表面に断熱もしくは鏡面処理を行っても同様の効果を得ることが可能となる。

さて、このような定着装置２００において、加圧ローラ４が駆動されて定着ベルト３が回転する時には、定着ベルト３の中央部分におけるニップ形成部材８０の特に均熱板８２の表面と定着ベルト３の内周面との摺動による摺動抵抗と、定着ベルト３の端部における円筒部９２ａ、ｂの表面と定着ベルト３の内周面との摺動による摺動抵抗と、が生じることが知られている。
このような摺動抵抗を低減する目的で、従来から種々の潤滑剤が用いられている。

しかしながら、潤滑剤は一般的に粘度が温度によって変化する温度－粘度特性（温度特性）を有することが知られている。
そのため、本実施形態のように定着ベルト３の中央部においては、ハロゲンヒータ９による加熱により温度が高く、定着ベルト３の端部においては加熱手段がないために中央部よりも低温であるような構成では、単に潤滑剤を用いるだけでは適正な粘度が得られず、回転負荷上昇の要因となってしまうという問題があった。

そこで、本実施形態においては、ニップ形成部材８０と定着ベルト３の内周面との間に塗布されたニップ用潤滑剤６と、ベルト支持部材９０ａ、ｂと定着ベルト３の内周面との間に塗布された端部用潤滑剤７と、で、温度－粘度特性が異なる２種類の潤滑剤を使用している。

かかる２種類の潤滑剤について、さらに詳細に説明する。
図５は、本実施形態において使用されるニップ用潤滑剤６と、端部用潤滑剤７と、のそれぞれの温度－粘度特性を表す相関図である。
また、定着ニップの中央部付近における温度を、ニップ部の実使用温度Ｔ１として示し、ベルト支持部材９０ａ、９０ｂが定着ベルト３と当接する端部付近における温度を、フランジ部の実使用温度Ｔ２として示している。

図５から明らかなように、定着装置２００の実使用時の温度Ｔ１、Ｔ２の何れにおいても、端部用潤滑剤７の粘度は、ニップ用潤滑剤６の粘度に比べて同等以下である。
かかる構成により、ニップ部よりも端部の温度が低い場合にも、端部用潤滑剤７の粘度が、ニップ部用潤滑剤６の粘度に対して低いので、定着ベルト３の端部における回転負荷の増大を防ぐことができる。

なお、ニップ部の実使用温度Ｔ１におけるニップ部用潤滑剤６の粘度と、フランジ部の実使用温度Ｔ２における端部用潤滑剤７の粘度とは、なるべく近しい方が、端部における摺動抵抗と、中央部における摺動抵抗との差が減少するため、より好ましい。

図６は、かかるニップ部用潤滑剤６と端部用潤滑剤７とを用いたときの定着装置２００の回転トルク（実線）と、比較例として示す従来構成の回転トルク（破線）である。
図６に示した実験結果から、ニップ部における制御温度が比較的低温の１００℃付近においては、本発明と比較例との差は微小であるが、制御温度を上昇するにつれて回転トルクの差が拡大していくことが明らかである。

このように、本実施形態においてニップ部用潤滑剤６と、端部用潤滑剤７との２種類の温度－粘度特性の異なる潤滑剤をそれぞれ用いることによって、ベルト端部と中央部との温度差によって生じるトルク上昇要因を排除することができる。

上記のような構成により、回転トルクの上昇を抑制することができて、定着ベルト３にかかる回転負荷を低減することができるから、定着装置の長寿命化に寄与する。

また、本発明の第２の実施形態として、定着装置２００の実使用時の温度において、ニップ部用潤滑剤６の粘度を、フランジ部における端部用潤滑剤７の粘度よりも低くすることとしても良い。
このように、端部用潤滑剤７の実使用温度における粘度を、ニップ部用潤滑剤６の実使用温度における粘度よりも大きくすることによれば、定着ベルト３の両端部分において粘度が高くなるので、ニップ部からの潤滑剤の漏れだしを低減することができる。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載された本発
明の技術的範囲には、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々、設計変更した形態が含まれ
る。

例えば、本発明では、ハロゲンヒータ９を１つ用いる構成としたが、複数のハロゲンヒータを有するとしても良い。
あるいは、フランジ状のベルト支持部材を用いるとしたが、ベルト端部を支持するものであれば、形状に寄らず端部支持部材として用いることとしても良い。

以上説明したように、本発明に係る定着装置は、摺動定着を行うベルトの回転負荷の上昇を抑制するという効果を有する。よって、本発明に係る定着装置は、摺動定着機構を有する定着装置および該定着装置を搭載する画像形成装置全般に適用可能である。

３ 定着ベルト（ベルト）
４ 加圧ローラ（加圧部材）
６ 第１の潤滑剤（ニップ部用潤滑剤）
７ 第２の潤滑剤（端部用潤滑剤）
９ ハロゲンヒータ（熱源）
８０ ニップ形成部材
９０ａ、９０ｂ フランジ部（ベルト支持部材）
１００ 画像形成装置
２００ 定着装置
Ｔ１ 実使用温度（ニップ部の実使用温度）
Ｔ２ 実使用温度（フランジ部の実使用温度）

特開２０１４－１７４４３４号公報 特開２０１７－１１１３３３号公報 特開２０１１－０５３３８０号公報 特開２０１２－１１８２２５号公報 特開２００７－０５７８５１号公報

Claims (4)

1. 可撓性を有する無端状のベルトと、
   前記ベルトの外側に設けられ、前記ベルトに対向する加圧部材と、
   前記ベルトの内側に設けられ、金属材料の表面にフッ素コーティングを施された凹形状の板材を備え前記ベルトと前記加圧部材との間に定着ニップを形成するニップ形成部材と、
   前記ベルトを加熱する熱源と、
   前記ベルトの端部を支持するフランジ部と、
   前記板材と前記ベルトの内面との間に塗布された第１の潤滑剤と、
   前記フランジ部と前記ベルトの内面との間に塗布された前記第１の潤滑剤とは温度特性
   の異なる第２の潤滑剤と、
   を有する定着装置であって、
   当該定着装置の実使用時の温度において、同一温度における前記第２の潤滑剤の粘度は、前記第１の潤滑剤の粘度よりも小さく、前記フランジ部の実使用時の温度における前記第２の潤滑剤の粘度は、前記定着ニップの中央部付近における実使用時の温度における前記第１の潤滑剤の粘度に比べて同等以下であることを特徴とする定着装置。
2. 請求項１に記載の定着装置であって、
   前記第１の潤滑剤は、フッ素グリスであることを特徴とする定着装置。
3. 請求項１または２に記載の定着装置であって、
   前記第２の潤滑剤は、シリコーンオイルであることを特徴とする定着装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１つに記載の定着装置と、
   記録媒体上に画像を転写する画像形成部と、を有する画像形成装置。

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