JP2010134072A - 定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱ベルトを有する外部加熱手段により定着部材を加熱する定着装置において、連続画像形成時に起こる温度低下を防止する。
【解決手段】加熱ベルトを定着部材に接触させるローラ対が互いに異なる押圧力で、加熱ベルトを定着部材に押圧する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子写真プロセスにより画像を形成する画像形成工程において、画像を記録材に定着する定着装置に関する。

複写機、プリンタ等の電子写真方式の画像形成装置に用いられる定着装置として、熱ローラ定着方式の定着装置が多用されている。

熱ローラ定着方式の定着装置は、互いに圧接するローラ対（定着ローラおよび加圧ローラ）を備え、このローラ対の両方又はいずれか一方の内部に配置されたハロゲンヒータ等からなる加熱手段により定着ローラが所定の温度（定着温度）に加熱される。

未定着のトナー像を担持する記録材はローラ対間のニップを通過し、前記ニップにおいて、トナー像が加熱・加圧されて定着される。

ところで、最近の電子写真方式の画像形成装置においては、定着ローラ表層にシリコンゴム等からなる弾性層を設けた所謂ソフトローラを用いることが多い。定着ローラをソフトローラとすることで、定着ローラ表面が、未定着トナー画像の凹凸に対応して弾性変形し、トナー画像面を覆い包むように接触するために未定着トナー画像に対して良好に加熱定着を行うことが可能となる。

ソフトローラを用いた定着装置は、像を形成するトナーの量が多いカラートナー像の定着において、特に有効である。

また、ソフトローラを用いた定着装置においては、定着ローラがニップにおいて変形することにより、ニップ出口において、定着ローラ表面が凸形状となる。この凸部によって、記録材が定着ローラから離れる方向に指向されてニップを通過することになり、記録材の定着ローラからの剥離性が向上する。即ち、分離爪等の分離手段を設けることが不要になるという効果がソフトローラにより得られる。

このように弾性層を具備したソフトローラを用いた定着ローラでは、弾性層の熱伝導性が非常に低い。このために、定着ローラ内部に加熱手段を設けた場合、熱伝達効率が低下し、ウォームアップ時間が長くなったり、プロセス速度を高速化した場合に定着ローラ温度が追従しなくなったりする問題がある。

このような問題を解決するために、定着ローラを外側から、即ち、表面側から加熱する外部加熱手段を備えた定着装置が提案されている（特許文献１〜３）。

特許文献１では、定着ローラに接触して定着ローラを加熱する加熱ベルトの定着ローラに対する当接領域の一部を押圧する押圧部材を設けている。

特許文献２では、外部加熱手段として、ローラ対に張架された加熱ベルトを用い、ローラ対間の距離を固定としている。そして、加熱ベルトが定着ローラに接触していないときは、加熱ベルトにテンションが付与されず、加熱ベルトが定着ローラに接触しているときには、テンションが付与されるようにしている。

特許文献３では、ローラ対が定着ローラから離間したときも、加熱ベルトを定着ローラに接触させ、定着ローラの回転により、加熱ベルトが移動するようにしている。特許文献３では、このようにすることで、加熱ベルトの劣化を防止している。
特開２００５−３００８００号公報 特開２００７−２１２８９６号公報 特開２００７−２４８７２４号公報

特許文献１〜３のように、定着ローラを外側から加熱する外部加熱手段として加熱ベルトが用いられる。

加熱ベルトは、広い面積で定着ローラに接触する。したがって、加熱ベルトから定着ローラには大量の熱が伝達することになり、しかも、加熱ベルトの熱容量が小さいことから、加熱ベルトが迅速に加熱され、また、高い応答性での温度制御が可能となるという利点が加熱ベルトにより得られる。

しかしながら、加熱ベルトを用いた場合、次のような問題がある。

特許文献２、３のように、加熱ベルトを用いた場合、ローラ対を用いて加熱ベルトを定着ローラに接触させている。この構成では、ローラとローラとの間において、加熱ベルトに弛みが生じ、弛み部分で加熱ベルトが定着ローラから離れることにより、加熱ベルトから定着ローラに伝わる熱量が制限される。

結果として、加熱ベルトから定着ローラへの熱の供給量が不足し、連続画像形成時に定着ローラの温度が低下するという問題がある。

特許文献１では、加熱ベルトが張架されているローラ対間の一部でしか加熱ベルトが定着ローラに接触しない。したがって、特許文献１においても、加熱ベルトから定着ローラへの熱の供給量が不足することにより、定着ローラの温度が低下する。

特許文献１の加熱機構において接触面積を広くするために、ローラ対間の距離を長くすると、外部加熱手段が占有するスペースが大きくなり、定着装置内に外部加熱手段を設けることが困難になる。

本発明は、外部加熱手段を有する従来の定着装置における問題を解決し、連続画像形成時にも定着ローラの温度低下を起こすことなく、カラー画像形成や高速画像形成が可能であるという外部加熱方式の利点を十分に活かした定着装置を提供することを目的とする。

前記目的は下記の発明により達成される。

１．トナー像を加熱し記録材に定着する定着部材、記録材を前記定着部材に接触させる加圧手段、及び前記定着部材を加熱する外部加熱手段を備え、
前記外部加熱手段は、
第１ローラ、
第２ローラ並びに、
少なくとも前記第１ローラ及び前記第２ローラに張架され、前記定着部材の表面に接触する加熱ベルトを有する定着装置において、
前記第２ローラは前記第１ローラよりも小さな押圧力で前記加熱ベルトを前記定着部材に押圧することを特徴とする定着装置。

２．前記第１ローラ又は前記第２ローラの中に前記加熱ベルトを加熱する熱源が設けられていることを特徴とする前記１に記載の定着装置。

３．前記第１ローラは、前記加熱ベルトの移動方向の上流側に配置され、前記第１ローラの中に前記加熱ベルトを加熱する熱源が設けられていることを特徴とする前記１に記載の定着装置。

４．前記加熱ベルトを前記定着部材に、圧接、圧接解除させる切換手段を有することを特徴とする前記１〜３のいずれか１項に記載の定着装置。

５．前記加熱ベルトにテンションを付与するテンション手段を有することを特徴とする前記１〜４のいずれか１項に記載の定着装置。

本発明によれば、ローラ対が互いに等しくない押圧力で加熱ベルトを定着部材に押圧する。これによって、前記ローラ対の間の全領域において、加熱ベルトが定着ローラに接触する。

接触面積が広くなることにより、加熱ベルトから定着ローラへの熱の移動量が大きくなる。

したがって、カラートナー像のようにトナー量が多い像の場合や高速画像形成の場合でも良好な定着が行われ、連続画像形成時における定着ローラの温度低下を十分に抑制することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態に基づいて本発明を説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。

図１は本発明の実施の形態に係る定着装置の全体構成を示す図である。

定着装置は、トナー像を加熱し定着する定着部材としての定着ローラ１、定着ローラ１を外側から加熱する加熱ベルト２及び記録材Ｐを定着ローラ１に接触させる押圧手段を構成する押圧ベルト７を有する。

定着ローラ１は、円筒状の芯金１Ａ、シリコンゴム等の耐熱弾性材料からなる弾性層１Ｂ及び、ＰＦＡ（四フッ化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）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチエン）等のフッ素樹脂からなる離型性の表面層１Ｃで構成される。

無端状の加熱ベルト２は、第１ローラとしてのローラ３及び第２ローラとしてのローラ４により張架され、ローラ３に張架された部分からローラ４により張架された部分との間において、図示のように定着ローラ１に接触する。

ローラ３の内部には、熱源としてのヒータ５が配置されており、加熱ベルト２はヒータ５により加熱され、加熱された加熱ベルト２は定着ローラ１を加熱する。

加熱ベルト２は定着ローラ１を外側から加熱する外部加熱手段を構成する。

６は定着ローラ１の内部に設けられた補助熱源としてのヒータである。

７は記録材Ｐを定着ローラ１に押圧する押圧ベルトであり、３個のローラ８〜１０に張架されている。

１１は前記押圧手段を構成し、押圧ベルト７を定着ローラ１に押圧する押圧部材である。押圧ベルト７は、ローラ８、１０に張架され、ローラ９により押圧ベルト７に所定のテンションが付与される。

記録材Ｐはローラ８側から矢印で示すように定着ローラ１と押圧ベルト７間のニップに進入し、該ニップにおいて、定着ローラ１により加熱される。記録材Ｐ上のトナー像は、加熱溶融され記録材Ｐに定着される。

ローラ３は図示しない付勢手段により押圧力Ｆ１で加熱ベルト２を定着ローラ１に押圧する。

ローラ４は図示しない付勢手段により、或いは自重で加熱ベルト２を押圧力Ｆ２で定着ローラ１に押圧する。

押圧力Ｆ１と押圧力Ｆ２とは Ｆ１＞Ｆ２ を満足するように設定され、両者が互いに等しくない押圧力で、加熱ベルト２を定着ローラ１に押圧する。

ローラ３とローラ４とが等しくない押圧力で加熱ベルト２を定着ローラ１に押圧することにより、ローラ３による押圧位置からローラ４による押圧位置までの間で加熱ベルト２は浮き上がりを起こすことなく定着ローラ１に密着する。

これにより、定着ローラ１は広い面積で加熱ベルト２に接触し加熱される。また、定着ローラ１は均一に加熱される。

なお、小さい方の押圧力Ｆ２は０であってもよい。

加熱ベルトを用いた従来の定着装置における問題を、図２を用いて説明する。

一対のローラが等しい押圧力で加熱ベルトを定着ローラに押圧する場合、図２に示すように加熱ベルトＢＬがローラＲ１とローラＲ２との間で定着ローラＨＲから浮き上がる。その結果、定着ローラＨＲと加熱ベルトＢＬとの接触面積が減少して加熱ベルトＢＬから定着ローラＨＲへの熱の供給量が減少する。

図２に示す従来の加熱機構において、加熱ベルトＢＬが張架されているローラＲ１、Ｒ２は１個の支持部材により支持されており、ローラＲ１とローラＲ２間の距離が一定である。

加熱ベルトＢＬは、ＰＩ（ポリイミド）等の樹脂ベルト又はＮｉ等の金属ベルトであり、伸縮性を有しない。

ローラＲ１、Ｒ２により張架されているベルト部分を定着ローラＨＲに接触させて、定着ローラＨＲの加熱面積を稼ぐためには、加熱ベルトＢＬはある程度弛みを持った状態でローラＲ１、Ｒ２に張架される必要がある。

このように、弛みを持った状態で張架されている加熱ベルトＢＬを等しい押圧力Ｆ３で定着ローラＨＲに押圧して、定着ローラＨＲの表面を図示のように変形させた場合、加熱ベルトＢＬはあローラＲ１とローラＲ２との間で浮き上がり、定着ローラＨＲの表面から離れる。

その結果、定着ローラＨＲが加熱される面積が減少して熱の移動量が減少する。

図１に示した加熱機構、即ち、等しくない押圧力Ｆ１、Ｆ２で、加熱ベルト２を定着ローラ１に押圧することにより、定着ローラ１が加熱される面積が広くなり、加熱ベルト２から定着ローラへの熱の供給量が多くなる。

その結果、連続画像形成時における定着ローラ１の温度低下が十分に抑制される。

図３は、図１における加熱ベルト２を支持するローラ３、４の支持機構の第１例を示す。

ローラ３、４は板状の支持部材２０により支持されている。

ローラ３は図示しない軸に回転自在に支持され、該軸の端部はほぼ四角形の軸端部３ａとして形成されている。

軸端部３ａは支持部材２０に設けられた長孔２０ａに嵌入しており、軸端部３ａは図の水平方向に移動可能である。

軸端部３ａと支持部材２０間には圧縮型のバネ２１が介在する。バネ２１は加熱ベルト２にテンションを付与するテンション手段である。

ローラ４の軸４ａは支持部材２０により回転自在に支持されている。

支持部材２０は、ローラ３の位置で圧縮型のバネ２２により、ローラ４の位置で圧縮型のバネ２３によりそれぞれレバー２４に連結されている。

レバー２４は軸２４ａを中心に回転可能であり、カム２５により駆動されて回転する。

図示の状態は、カム２５によりローラ３、４が図１の加熱ベルト２を定着ローラ１に押圧した状態を示す。

カム２５が図示の位置から１８０°回転すると、レバー２４が時計方向に回転して、押圧が解除される。

図３の状態で、バネ２２はローラ３を押圧力Ｆ１で定着ローラ１に押圧し、バネ２３はローラ４を押圧力Ｆ１よりも小さい押圧力Ｆ２で定着ローラ１に押圧する。

バネ２１はローラ４をローラ３から離す方向に付勢する。これにより、加熱ベルト２には所定のテンションが付与される。

ローラ４の押圧力Ｆ２をローラ３の押圧力Ｆ１よりも小さくすることにより、加熱ベルト２はローラ１の表面に密着し、定着ローラ１は高効率で加熱される。

図４は、図１における加熱ベルト２を支持するローラ３、４の支持機構の第２例を示す。

図４では、支持部材２０が支持部材本体から伸びた支持腕２０ｂ、２０ｃを有する。

支持腕２０ｂと支持腕２０ｃ間に形成されたスペースにローラ４を支持する支持部材２６が嵌入する。なお、ローラ３はその軸３ｂで支持部材２６により回転自在に支持されている。

図４（ｂ）に示すように、ローラ４及び支持部材２６からなるユニットを矢印で示すように支持腕２０ｂ、２０ｃ間に嵌入した後に、ローラ３とローラ４とに加熱ベルト２を掛け渡すことにより、図４（ａ）に示すように加熱ベルト２及びローラ３、４が支持部材２０に取り付けられる。

図５は、図３、４に示すベルト支持機構の動作を示す。

カム２５の回転により、レバー２４は軸２４ａを中心に回転する。ローラ３はローラ４よりも軸２４ａに近い位置で、支持部材２０により支持されている。

カム２５による押圧がない状態では、加熱ベルト２、ローラ３、４、支持部材２０及びレバー２４は、これら諸部材からなるユニットの自重で、定着ローラ１の上に載っている。

即ち、ローラ３が定着ローラ１に載っている。

一方、バネ２１により加熱ベルト２にテンションがかっているので、このテンションにより、ローラ４は、図５（ａ）のように、定着ローラ１から離れている。

カム２５が回転して、レバー２４が反時計方向に回転し、バネ２２がローラ３を、バネ２３がローラ２４をそれぞれ押すことにより、図５（ｂ）に示すように加熱ベルト２が定着ローラ１に押圧される。

図５（ａ）から図５（ｂ）への動作の過程では、ローラ３が先に定着ローラ１に接触し、ローラ４が後に接触する。

このように、ローラ３とローラ４とが異なるタイミングで定着ローラ１に接触することにより、ローラ３、４間において加熱ベルト２が弛みを作ることなく、定着ローラ１の表面に密着し、定着ローラ１と加熱ベルト２間の大きな接触面積が確保される。

以上説明した実施の形態においては、加熱ベルト２が張架されるローラ３とローラ４との間隔を可変とし、両ローラを離す方向にバネをかけることにより、加熱ベルト２にテンションを付与している。しかしながら、加熱ベルト２を張架するローラ３とローラ４とを固定の軸で支持し、ローラ間の間隔を固定とすることもできる。

このような構成でも、加熱ベルトを定着ローラに押圧する押圧力を両ローラ間で異ならせ、且つ、両ローラが加熱ベルトを定着ローラに押圧するタイミングをずらすことにより、両ローラ間における加熱ベルトの弛みを無くすることができる。

この場合、大きな押圧力で押圧するローラを先に定着ローラに接触させることが好ましい。

また、図５に示すように、定着ローラ１と加熱ベルト２との接触部における定着ローラ１の移動方向Ｗに関して上流側のローラ３の押圧力Ｆ１を下流側のローラ４の押圧力Ｆ２よりも大きくすることが好ましい。

なお、熱源は、ローラ３の内部又はローラ４の内部、いずれに設けてもよい。

（１）実施例
図１に示す定着装置を用い、表１に示す条件及び下記の条件で、記録材を定着装置に連続通紙して、加熱ベルト温度、定着ローラ温度及び押圧ベルト温度の変化を調べた。
・定着装置における記録材の搬送速度：４００ｍｍ／ｓｅｃ
・制御目標値
定着ローラ温度：１８５℃
押圧ベルト温度：９５℃
加熱ベルト温度：１９５℃

連続通紙時の前記温度の変化を図６示す。

図６に示されるように定着ローラの表面温度の最下点温度が約１６０℃であった。
（２）比較例１
押圧力Ｆ１＝Ｆ２＝８０Ｎとし、ローラ３とローラ４間の間隔を一定とした他は実施例１と同一条件で連続通紙試験を行った。

連続通紙時の前記温度の変化を図７示す。

図７に示されるように定着ローラの最下点温度は１４８℃であった。

両ローラが強く加熱ベルトを押圧することにより、加熱ベルトが両ローラ間で定着ローラから離れて加熱効率が低下した結果、加熱ベルトの温度低下がなく、加熱ベルトから定着ローラへの熱の移動量が少ない分だけ、定着ローラ温度の低下が大きかった。
（３）比較例２
図８に示す定着装置を用いた。

この定着装置では、ローラ３は加熱ベルト２を定着ローラ１に押圧しているが、ローラ４は浮いており、ローラ４の部分において、加熱ベルト２が定着ローラ１から離れている。

押圧力Ｆ１＝８０Ｎ、Ｆ２＝×とした他は実施例を同一条件で連続通紙した。

なお、Ｆ２＝×は、ローラ４が浮いていることを表す。

図９に示すように、定着ローラの最下点温度は１５８℃であった。

比較例１よりは最下点温度が高いものの、定着ローラの大きな温度低下があった。

本発明の実施の形態に係る定着装置の全体構成を示す図である。 従来の定着ローラの加熱機構を示す図である。 図１における加熱ベルト２を支持するローラ３、４の支持機構の第１例を示す図である。 図１における加熱ベルト２を支持するローラ３、４の支持機構の第２例を示す図である。 図３、４に示すベルト支持機構の動作を示す図である。 実施例における連続通紙時の定着ローラの温度の変化を示す図である。 比較例１における連続通紙時の定着ローラの温度の変化を示す図である。 比較例２において用いられた定着装置を示す図である。 比較例２における連続通紙時の定着ローラの温度の変化を示す図である。

符号の説明

１ 定着ローラ
２ 加熱ベルト
３、４ ローラ
５、６ ヒータ
７ 押圧ベルト
１１ 押圧部材
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３ 押圧力

Claims (5)

1. トナー像を加熱し記録材に定着する定着部材、記録材を前記定着部材に接触させる加圧手段、及び前記定着部材を加熱する外部加熱手段を備え、
   前記外部加熱手段は、
   第１ローラ、
   第２ローラ並びに、
   少なくとも前記第１ローラ及び前記第２ローラに張架され、前記定着部材の表面に接触する加熱ベルトを有する定着装置において、
   前記第２ローラは前記第１ローラよりも小さな押圧力で前記加熱ベルトを前記定着部材に押圧することを特徴とする定着装置。
2. 前記第１ローラ又は前記第２ローラの中に前記加熱ベルトを加熱する熱源が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記第１ローラは、前記加熱ベルトの移動方向の上流側に配置され、前記第１ローラの中に前記加熱ベルトを加熱する熱源が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
4. 前記加熱ベルトを前記定着部材に、圧接、圧接解除させる切換手段を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の定着装置。
5. 前記加熱ベルトにテンションを付与するテンション手段を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の定着装置。

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