JP2007079050A - 画像加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】定着ニップでの圧力が著しく減少してしまうのを防止することが可能な定着装置を提供する。
【解決手段】 記録材上のトナー像を定着する無端状の定着ベルト３と、この定着ベルトを懸架するローラ２と、このローラと非接触に設けられ定着ベルト３を加圧する固定部材６と、この固定部材６からローラ２に至る間において定着ニップを形成するため定着ベルト３に圧接して設けられた圧接手段６とを有する定着装置において、定着ベルト３の基材のヤング率に厚さを乗じたものをＹ（Ｍｐａ・ｍｍ）、定着ベルト３の移動方向における固定部材６とローラ２間のギャップ部の長さにこのギャップ部の単位面積当りの圧力を乗じたものをＸ（Ｍｐａ・ｍｍ）とすると、Ｙ ≧ １×１０⁸Ｘ^２ ＋ ２×１０⁶Ｘ、０＜Ｙ＜２．６×１０^７を満たすことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子写真方式を適用した複写機、プリンタ、ファクシミリあるいはこれらの複合機等の画像形成装置に用いられる画像加熱装置に関する。

特許文献１においては、加熱定着ベルトと加圧部材との周速差に起因する画像ズレなどの異常画像を防止し、立ち上がり時間が短いベルト定着装置が開示されている。少なくとも二個の定着部材に懸架された無端状ベルトと、当該ベルトを介し定着部材の少なくとも二個と圧接する加圧部材とを有し、前記定着部材と加圧部材とで形成されるニップ部の間隔Ｌが０ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲であるようにしている。このように構成することで、形成ニップの間隔が狭く、ニップ間のベルト弛みや浮きを抑えることができ、用紙とベルトが離れ異常画像となることが防がれている。

さらに、特許文献２においては、一対の無端状ベルトの接触部（ニップ部）における密着性を高めて記録材上の未定着画像への熱伝達効率を高めている。これにより定着性を向上するとともに省エネルギー化を達成し、かつブレやズレのない良好な定着画像を得られるベルト定着装置が開示されている。
特開2004-191512 特開2004-264531

しかしながら、上記従来例では、定着ベルト内に配置されたニップ部を構成するための２つ定着部材が離れていた。このため無端状の定着ベルトの材質や厚みを変更すると、ニップ内部においてギャップ部のニップ圧力が著しく減少もしくは抜ける問題が発生し、定着性を損なっていた。

本発明は、上記従来技術による問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、定着ニップでの圧力が著しく減少してしまうのを防止することが可能な定着装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、記録材上のトナー像を加熱ニップにて加熱するエンドレスベルトと、このベルトを懸架するローラと、このローラと非接触に設けられベルトを加圧する加圧パッドと、この加圧パッドからローラに至る間において加熱ニップを形成するためベルトに圧接して設けられた圧接手段と、を有する画像加熱装置において、ベルトの基材層のヤング率に厚さを乗じたものをＹ（Ｍｐａ・ｍｍ）、ベルトの移動方向における加圧パッドとローラ間のギャップ部の長さにこのギャップ部の単位面積当りの圧力を乗じたものをＸ（Ｍｐａ・ｍｍ）とすると、
Ｙ ≧ １×１０⁸Ｘ^２ ＋ ２×１０⁶Ｘ
０＜Ｙ＜２．６×１０^７
を満たすことを特徴とする。

上記のように構成された本発明の画像加熱装置によれば、ニップ部での圧力が著しく減少してしまうのを防止するベルトの基材の材質と厚さ、ギャップ部の長さ、ギャップ部に掛かる単位面積当りの圧力の関係が解かる。したがって、ニップ部での圧力が著しく減少
してしまうのを防止することが可能な定着装置を提供することができる。また同時に、ニップ部での圧力が著しく減少してしまうのを防止することが可能な構成を予め算出できるので、設計段階で有意義な指標になり、効率的な構成検討が可能となる。

初めに、本発明の実施例について、概略を説明する。

本発明の画像加熱装置を備えた定着装置を含む画像形成装置の全体構成については後述し、定着装置について、図面を参照して以下に詳細に説明する。

図１は本発明の画像加熱装置を備えたベルト定着装置の一実施例を示す断面構成図である。図１に示すように、本実施例のベルト定着装置１は、主として、エンドレスベルトである定着ベルト３と、圧接手段である加圧部材９からなっている。前記定着ベルト３と前記加圧部材９は、不図示の加圧手段により圧接するように構成されている。前記定着ベルト３は、当該ベルト内に設置された駆動ローラ（定着ローラ）２と引張部材４によって、循環移動可能に張架されている。また、駆動ローラ（定着ローラ）２と固定部材（加圧パッド）６は、定着ベルト３を介して加圧部材９と互いに圧接することにより、ニップを形成している。

また、前記定着ベルト３と加圧部材９は、ニップ部では、互いに圧接した状態で走行している。それら定着ベルト３と加圧部材９の間に、未定着トナー８を担持した記録媒体７を挟持した状態で搬送しつつ、記録媒体７と定着ベルト３が密着した状態を維持して、記録媒体７上に担持された未定着トナー８を定着するように構成されている。

前記定着ベルト３の基材の材質は、加熱源として誘導加熱を使用する場合、金属部材にする必要があるが、基本的にどのような材質でも特に限定されない。前記定着ベルト３の基材の厚さについても同様である。しかし、基材の材質を硬くし厚くしすぎると、前記定着ベルト３を懸架するのに相当大きな引張荷重を要し、ベルトの搬送性、耐久性を著しく悪くする。このため、材質はFe（工学便覧参照ヤング率：2.058×10⁵[Mpa]）より柔らか
く、厚みは200[μｍ]より小さい方が好ましい。また、前記定着ベルト３はトナーと加圧
接触するため、離型性、耐熱性に優れた表面層や画像の均一性を得るための弾性層を設ければ、一層好ましい。そのために、前記定着ベルト３は３層以上の構成にしても良い。

前記駆動ローラ（定着ローラ）２は、アルミニウムやステンレス等からなる金属製コアの表面に、ゴム等からなる弾性層を所定の厚さに被覆して、所定の外径に設定する。

前記引張部材４は、金属や耐熱樹脂で形成される剛体で、定着ベルト３が循環移動可能になる様に張架されていて、該引張部材４の引張方向は特に限定されない。

前記固定部材６は、金属で形成される剛体で、定着ベルト３が接する面には摺動性に優れた樹脂等を被覆すれば、一層好ましい。

前記加圧部材９は、張架されたベルトや単一ローラ等、定着部材のニップ部を圧接できる部材であり且つ循環移動可能であれば、どのような部材でも特に限定されない。張架されたベルトの場合、この加圧ベルトはトナーと加圧接触するため、離型性、耐熱性に優れた表面層や画像の均一性を得るための弾性層を設ければ、一層好ましい。さらに、この加圧ベルトは、定着ベルト同様に基材の材質を硬くし厚くしすぎると、加圧ベルトを懸架するのに相当大きな引張荷重を要し、ベルトの搬送性、耐久性を著しく悪くする。このため、材質はFe（工学便覧参照ヤング率：2.058×10⁵ [Mpa]）より柔らかく、厚みは200[μｍ]より小さい方が好ましい。単一ローラの場合も、トナーと加圧接触するため、アルミニ
ウムやステンレス等からなる金属製コアの表面に、離型性、耐熱性に優れた表面層や画像の均一性を得るための弾性層を設ければ、一層好ましい。

以上の構成において、この実施の形態に係る定着装置は設定されている。

本発明者らの検討によれば、前記ベルト定着装置において、前記定着ベルト３の基材の剛性を柔らかくするとニップ内部においてニップ圧力が著しく減少もしくは抜ける問題が発生し、定着性を損なうことが解かった。また、前記駆動ローラ（定着ローラ）２と前記固定部材６の距離を離した場合にも、ニップ内部においてニップ圧力が著しく減少もしくは抜ける問題が発生し、定着性を損なうことが解かった。その結果、いずれの場合も定着後の画像にグロスムラ等の不具合が発生した。

前記駆動ローラ（定着ローラ）２と前記固定部材６を離してニップを形成するベルト定着器における原因は、以下のように考えられる。すなわち、前記駆動ローラ（定着ローラ）２と前記固定部材６を離した部分は、定着ベルト３の内側に加圧部材９の押付け荷重を受け持つ部材を設置することが出来ない。したがって、ニップ内部において所望の接触圧を得ることが出来ないからである。

その結果、単純に前記駆動ローラ（定着ローラ）２と前記固定部材６の距離を無くすことによって、所望のニップ接触圧を得ることが可能となる。また、定着ベルト３の剛性を高くすれば、前記駆動ローラ（定着ローラ）２と前記固定部材６が離れていても、その部分のベルトは加圧部材９から荷重を受けても（前記駆動ローラ２と前記固定部材６が離れている部分の）空白部分に逃げない。したがって、受けた荷重をそのまま定着ベルト３だけで受け持つことが可能になり、ニップ内部において所望のニップ接触圧を得ることが可能となる。しかし、定着性や耐久性、設計性などの諸問題から、前記駆動ローラ（定着ローラ）２と前記固定部材６を接触させてニップを形成することや定着ベルト３の剛性を高くしすぎることは好ましくない。

そこで、本発明者らは、定着ベルトの基材の材質と厚さ、ギャップ部の長さ、ギャップ部に掛かる単位面積当りの圧力を変化させて、トナー像の定着を行い、グロスムラ等の不具合の発生状況を評価する実験を行った。

図２は、図１の拡大図であり、実験において変化させたパラメータの定義を明確に説明するためのニップ部１８における断面構成図である。駆動ローラ（定着ローラ）２は、外径20mmのSUSからなるコアの表面に、厚さ0.75mmのシリコンゴム層を被覆した。固定部材
６は、SUSで形成される剛体で、定着ベルト３が接する面には摺動性に優れた樹脂を被覆
した。定着ベルト３の基材の材質としては、柔らかいものから硬いものまで複数種類の材質を採用した。具体的には、工学便覧参照ヤング率で換算すると3.7×10⁴[Mpa]から2.1×10⁵ [Mpa]までの範囲である。さらに、定着ベルト３は、３層の構成にした。圧力計測セ
ンサ１４は、ニップ接触圧を計測する手段である。定着ベルト基材の厚み１５としては、30、80、150、200μmのものを用いた。ギャップ部の長さ１６は、前記駆動ローラ（定着
ローラ）２と前記固定部材６が前記定着ベルト３と接触していない定着ベルト内側の部分の距離と定義した。ギャップ部内で圧力が一様である場合と一様でない場合があるので、平均化された指標を得るために、ギャップ部に掛かる単位面積当りの圧力を定義した。ギャップ部に掛かる単位面積当りの圧力１７は、前記圧力計測センサ１４によって求められたギャップ部内に位置する各計測点で発生する圧力を総和して、ギャップ部の長さ×奥行き方向のニップ長さで割った値と定義した。前記圧力計測センサ１４は、「タクタイルセンサシステム I-SCAN」（センサの厚みは0.1mm、ニップ搬送方向で1mm又は0.65mmピッチで測定が可能）を用いた。

図３及び図４は、上記実験の結果及び条件を示すものである。本発明者らは、数多くの実験からベルト剛性を高くした場合の、グロスムラ等の不具合との相関関係を定性的な知識として得ていた。例えば、ベルト剛性を高くすると、ギャップ部の単位面積当りの圧力が同一の場合、ギャップ部の長さを伸ばしてもグロスムラ等の不具合画像の発生を抑制できる。また、、同様にベルト剛性を高くすると、ギャップ部の長さが同一の場合、ギャップ部の単位面積当りの圧力を小さくしてもグロスムラ等の不具合画像の発生を抑制できる。さらに、ギャップ部の最低接触圧力が0.01[Mpa]以上になるとグロスムラ等の画像上の
不具合が発生せずに、良好な画像を得られることを定量的な知識として得ていた。加えて、定着ベルトに掛かる張力が30kgf以下の場合に、実験結果に影響を及ぼさないことも定
量的な知識として得ていた。

そこで、今回は、X軸とY軸を次のように定義した。つまり、X軸は、ギャップ部の長さ[mm]×ギャップ部の単位面積当りの圧力[Mpa]、Y軸は、基材層の厚さ[mm]×ヤング率[Mpa]とした。図３において、●は良好な画像が得られた場合（ギャップ部の最低接触圧力が0.01[Mpa] 以上の場合）、■は不良な画像が得られた場合（ギャップ部の最低接触圧力が0.01[Mpa] 未満の場合）と定義した。

この図３から明らかなように、定着ベルトの剛性を高くすることによって、グロスムラ等の不具合画像の発生を抑制できることがわかる。また、定着ベルトの剛性を高くしなくても、ギャップ部の長さを短くすることやギャップ部の単位面積当りの圧力を低くすることによって、グロスムラ等の不具合画像の発生を抑制できることもわかる。

これらの結果を纏めれば、図３の●と■との境界を通る曲線を近似式で求めると、

（数１）
Ｙ ＝ １×１０⁸Ｘ^２ ＋ ２×１０⁶Ｘ （１）
となる。

従って、
（数２）
Ｙ ≧ １×１０⁸Ｘ^２ ＋ ２×１０⁶Ｘ （２）
（数３）
０＜Ｙ＜２．６×１０^７ （３）

但し、
X：ギャップ部の長さ[mm]×ギャップ部の単位面積当りの圧力[Mpa]
Y：基材層の厚さ[mm]×ヤング率[Mpa]

この（２）及び（３）の関係式を満たすものであれば、グロスムラ等の不具合画像の発生を抑制できることがわかった。尚、前述した理由から定着ベルトに掛かる張力は30kgf
以下と定義する。

Yを0以上より大きい値に限定したのは自明の理である。また、Yを2.6×10^７未満と限定したのは、それ以上の値になると無端状の定着ベルトを懸架するのに相当大きな引張荷重を要し、ベルトの搬送性、耐久性、省電力性を著しく悪くするためである。さらに、Xは
、Yを2.6×10^７未満とした場合、境界曲線（１）より0.5未満と規定される。

なお、本発明の画像加熱装置を備えた定着装置は、上述したような記録材に形成された未定着トナー像を定着する用途に限られない。すなわち、、本発明の画像加熱装置は、記録材に形成される画像の光沢度を向上させるために、トナー像を仮定着するような用途や
、既に仮定着されたトナー像を再加熱して光沢度を向上させる用途としても使用できる。本例ではこれらを総称して定着装置と呼ぶことにする。

図５により本発明の実施形態に係る定着装置を備えた画像形成装置の全体構成について説明する。

図５に示す装置内には、画像形成手段を構成する第１、第２、第３、第４の画像形成部Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄが併設され、各々異なった色のトナー像が潜像、現像、転写のプロセスを経て形成される。

画像形成部Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄは、それぞれ専用の像担持体、本例では電子写真感光ドラム３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ、３０３ｄを具備し、各感光ドラム３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ、３０３ｄ上に各色のトナー像が形成される。各感光ドラム３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ、３０３ｄに隣接して中間転写体１１３０が設置される。感光ドラム３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ、３０３ｄ上に形成された各色のトナー像が、中間転写体３３０上に１次転写され、２次転写部で記録材ｐ上に転写される。さらにトナー像が転写された記録材ｐは、定着装置１で加熱及び加圧によりトナー像を定着した後、記録画像として装置外に排出される。

感光ドラム３０３ａ〜ｄの外周には、それぞれドラム帯電器３０２ａ〜ｄ、現像器３０１ａ〜ｄ、１次転写帯電器３２４ａ〜ｄ及びクリーナ３０４ａ〜ｄが設けられる。装置の上方部にはさらに図示しない光源装置およびポリゴンミラーが設置されている。

光源装置から発せられたレーザー光を、ポリゴンミラーを回転して走査し、その走査光の光束を反射ミラーによって偏向し、fθレンズにより感光ドラム３０３ａ、３０３ｂ、
３０３ｃ、３０３ｄの母線上に集光して露光する。これにより、感光ドラム３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ、３０３ｄ上に画像信号に応じた潜像が形成される。

現像器３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄには、現像剤としてそれぞれイエロー、マゼンタ、シアン及びブラックのトナーが、図示しない供給装置により所定量充填されている。現像器３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄは、それぞれ感光ドラム３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ、３０３ｄ上の潜像を現像して、シアントナー像、マゼンタトナー像、イエロートナー像及びブラックトナー像として可視化する。

中間転写体３３０は矢示の方向に感光ドラム３０３と同じ周速度をもって回転駆動されている。

感光ドラム３０３ａ上に形成担持された上記第１色のイエロートナー画像は、感光ドラム３と中間転写体３３０とのニップ部を通過する。この過程で、中間転写体３３０に印加される１次転写バイアスにより形成される電界と圧力により、中間転写体３３０の外周面に中間転写されていく。

同様に第２色のマゼンタトナー画像、第３色のシアントナー画像、第４色のブラックトナー画像が順次中間転写体３３０上に重畳転写され、目的のカラー画像に対応した合成カラートナー画像が形成される。

３１１は２次転写ローラを示し、中間転写体３３０に対応し平行に軸受させて下面部に接触させて配設してある。２次転写ローラ３１１には、２次転写バイアス源によって所望の２次転写バイアスが印加されている。中間転写体３３０上に重畳転写された合成カラートナー画像の記録材Ｐへの転写は、次のように行われる。すなわち、給紙カセット３００
からレジストローラ３１２、転写前ガイドを通過して中間転写体３３０と２次転写ローラ３１１との当接ニップに所定のタイミングで記録材Ｐが給送される。これと同時に２次転写バイアスがバイアス電源からに印加される。この２次転写バイアスにより中間転写体３３０から記録材Ｐへ合成カラートナー画像が転写される。

一次転写が終了した感光ドラム３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ、３０３ｄは、それぞれのクリーナ３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０４ｄにより転写残トナーをクリーニング、除去され、引き続き次の潜像の形成以下に備えられる。中間転写体３３０上に残留したトナー及びその他の異物は、中間転写体３３０の表面にクリーニングウエブ（不織布）を当接して、拭い取るようにしている。

トナー画像の転写を受けた転写材Ｐは定着装置１へ順次導入され、転写材に熱と圧力を加えることで定着された後に排紙部３６３を経て出力される。

本発明の実施形態に係る定着装置を示す断面構成図である。 実験形態を示す拡大断面構成図である。 実験結果を示すグラフである。 実験条件を示す図表ある。 本発明の実施形態に係る画像形成装置を示す断面構成図である。

符号の説明

１・・・定着装置
２・・・駆動ローラ（定着ローラ）
３・・・定着ベルト
４・・・引張部材
５・・・記録媒体（定着後）
６・・・固定部材
７・・・記録媒体（定着前）
８・・・未定着トナー
９・・・加圧部材、
１４・・・圧力計測センサ
１５・・・定着ベルト基材の厚み
１６・・・ギャップ部の長さ
１７・・・ギャップ部に掛かる単位面積当りの圧力
１８・・・ニップ部

Claims (1)

1. 記録材上のトナー像を加熱ニップにて加熱するエンドレスベルトと、このベルトを懸架するローラと、このローラと非接触に設けられベルトを加圧する加圧パッドと、この加圧パッドからローラに至る間において加熱ニップを形成するためベルトに圧接して設けられた圧接手段と、を有する画像加熱装置において、
   ベルトの基材層のヤング率に厚さを乗じたものをＹ（Ｍｐａ・ｍｍ）、ベルトの移動方向における加圧パッドとローラ間のギャップ部の長さにこのギャップ部の単位面積当りの圧力を乗じたものをＸ（Ｍｐａ・ｍｍ）とすると、
   Ｙ ≧ １×１０⁸Ｘ^２ ＋ ２×１０⁶Ｘ
   ０＜Ｙ＜２．６×１０^７
   を満たすことを特徴とする画像加熱装置。

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