JP3829695B2 - 画像定着装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複写機、プリンター、ファクシミリなどの電子写真方式を利用した画像形成装置において未定着トナー像を加熱定着する画像定着装置に係り、特にベルトニップ方式の画像定着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、この発明の出願人が提案し、特開平５−１５０６７９号公報に開示された画像定着装置を示す。図において、符号１０１は回転可能に配置された加熱定着ロールを示す。この加熱定着ロール１０１は、アルミニウムなどの熱伝導率の高い金属で形成された円筒状のコア１０３を有し、その表面に弾性体からなる被覆層１０４を形成したものである。被覆層１０４は、コア１０３の表面に直接被覆されたＨＴＶ（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｖｕｌｃａｎｉｚａｔｉｏｎ）シリコーンゴムからなる下地層１２０と、その外側に被覆されたＲＴＶ（Ｒｏｏｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｖｕｌｃａｎｉｚａｔｉｏｎ）シリコーンゴムからなるトップコート層１２１とを積層したものである。
【０００３】
コア１０３の内部には、加熱源としてハロゲンランプ１０５が配置されている。また、加熱定着ロール１０１の表面には温度センサ１０６が配置され、この表面の温度を計測する。そして、温度センサ１０６の計測信号により、図示しない温度コントローラが作動されハロゲンランプ１０５の点滅が制御されて、加熱定着ロール１０１の表面が所定の温度に調節されるようになっている。また、加熱定着ロール１０１の表面には、オイル供給装置１０９によって離型剤であるシリコンオイルが供給されており、これによりシート１０７に未定着のトナー１０８の像を定着する際に、トナー１０８の一部が加熱定着ロール１０１にオフセットするのを防止するようになっている。
【０００４】
さらにこの定着装置においては、圧力ロール１２５が、圧縮コイルスプリング１２６によって加熱定着ロール１０１に対して押圧されている。また、加熱定着ロール１０１に向けて圧力補助ロール１２９が押圧されている。そして、圧力ロール１２５および圧力補助ロール１２９の周囲には、ロール１２２，１２３，１２４が配置されており、ロール１２２，１２３，１２４、圧力ロール１２５、圧力補助ロール１２９の周囲にはエンドレスベルト１１５が巻回されている。
【０００５】
圧力ロール１２５および圧力補助ロール１２９が加熱定着ロール１０１に対して圧接させられていることによって、エンドレスベルト１１５は加熱定着ロール１０１に接触して、加熱定着ロール１０１とエンドレスベルト１１５との間が、シート１０７を通過させるためのニップ（ベルトニップ）となる。そして加熱定着ロール１０１およびエンドレスベルト１１５が、矢印に示すように回転すると共に、シート７が回転する加熱定着ロール１０１とエンドレスベルト１１５との間に搬送され、このシート１０７がベルトニップを通過する際に、ベルトニップに作用する圧力とハロゲンランプ１０５から加熱定着ロール１０１を通じて与えられる熱により未定着のトナー１０８がシート１０７上に定着されるようになっている。
【０００６】
このようなベルトニップ方式の構成を採用することにより、シート１０７がベルトニップの幅（図示の例では圧力ロール１２５と圧力補助ロール１２９で押さえられているベルトの長さ）に対応する時間加熱されるようになるので、加熱定着ロール１０１と圧力ロールのみを圧接させてエンドレスベルト１１５を使用しない場合に比べると、シート１０７の搬送速度を大きくしても十分な定着時間を確保することが可能になるという利点がある。また、同じ搬送速度であれば、ベルトニップ方式の方が、エンドレスベルト１１５を使用しない方式よりも加熱時間が長くなり、トナーにより多量の熱を与えることができるため、ベルトニップ方式は特に多層のトナーを所望の色に発色させるカラー複写機の定着に適している。
【０００７】
また、この画像定着装置においては、加熱定着ロール１０１の表面に弾性体であるシリコーンゴムからなる被覆層１０４が形成されており、この被覆層１０４が圧力ロール１２５の圧接力を受けて圧接領域において局所的に歪むようになっている。すなわち、被覆層１０４の表面速度が局所的に大きくなるため、圧力ロール１２５の圧接領域においてシートと被覆層１０４との間に微小なズレが生じる。また、高温状態のトナー１０８は被覆層１０４へ付着しようとする傾向があるが、このときのズレによってトナー１０８と被覆層１０４との界面に微小なスリップが生じ、その付着が防止されていると考えられる。
【０００８】
これによって、シート１０７はトナー１０８と加熱定着ロール１０１との付着力に抗して加熱定着ロール１０１から剥離される。溶融されたトナーと加熱定着ロール１０１との表面の付着力は、両者の界面化学的な材料物性値にも左右されるので、シート１０７が剥離する挙動はトナーの種類や被覆層１０４の材質に応じて異なるが、この画像定着装置によると、剥離爪などの剥離手段を使用しなくても、シート１０７を加熱定着ロール１０１から剥離することができる（以下、これをセルフストリッピングという）。このため、腰が弱くて剥離しにくい薄紙や、多量のトナーが付着した用紙でも、セルフストリッピングさせることができる。
【０００９】
その他、ベルトニップ方式を採用した画像定着装置としては、特開昭５２−６９３３７号公報、特開昭６０−１５１６７７号公報、特開昭６０−１５１６８１号公報、特開昭６２−１４６７５号公報、特開平２−２２２９８２号公報、特開平２−３０８２８７号公報、特開平４−５０８８５号公報、特開平４−１１５２７９号公報、実開昭６０−１０４８５２号公報、実開平２−３０９６１号公報、実開平３−８６３７４号公報、実開平３−９２６６１号公報および実開平４−５０８６４号公報に記載されたものがある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のベルトニップ方式の画像定着装置には、次のような問題がある。すなわち、現在主流となっている熱融着式のトナー１０８を利用した場合には、シート１０７を必ず加熱してトナー１０８をシート１０７に融着させなければならないが、この加熱の際には暖まったシート１０７の繊維の間隙やトナー粒子の間隙から空気が熱膨張したり水蒸気が蒸発してくる。このような空気や水蒸気は、シート１０７がベルトニップ内で加熱されることにより発生し、シート１０７がベルトニップを通過するまでベルトニップ内、具体的にはシート１０７と加熱定着ロール１０１またはエンドレスベルト１１５との間に気泡となって介在し、シート１０７がベルトニップを通過し終えると同時に外部に排出される。このベルトニップ内では、図１３に示すように、圧力ロール１２５による押圧部と圧力補助ロール１２９による押圧部との間に、圧接力の小さい領域が広く存在しており、この領域に気泡が介在すると、加熱定着ロール１０１とエンドレスベルト１１５との間にギャップが生じることがある。このようなギャップが生じると、ベルトニップ内にあるシート１０７上のトナー１０８がまだすべて定着していない状態では、未定着のトナー１０８が、気泡が動き回ることによって移動してしまうことがある。このため、画像のニジミやズレ、乱れなどが発生するという問題点がある。
【００１１】
図１４は、図１１に示す装置で未着のトナー１０８の像を定着する際に、ベルトニップの中央すなわち圧力ロール１２５と圧力補助ロール１２９との中間で、加熱定着ロール１０１とエンドレスベルト１１５との間に生じたギャップを計測した結果を示す。なお、使用したシートは富士ゼロックス社製のＡ３サイズのＪ紙であり、ギャップは加熱定着ロールとエンドレスベルト間の間隔を測定し、この値から紙の厚さを差し引いたものである。図１４の結果からも明らかなように、定着ロール温度がほぼ環境温度の場合にはギャップはないが、定着ロール温度を高くすると、加熱定着ロール１０１とエンドレスベルト１１５との間に生じるギャップが大きくなっていく。これは、空気や水蒸気が熱膨張するためであると考えられる。つまり、ベルト張力によるエンドレスベルトの加熱定着ロールへの押圧力は小さいため、空気や水蒸気の熱膨張を押さえきれずギャップが生じるものと考える。
【００１２】
したがって、圧力ロールおよび圧力補助ロールは、この空気や水蒸気の熱膨張を押さえてギャップが生じないだけの荷重を加えなければならない。
しかし、圧接力の小さい部分、すなわち圧力ロール１２５と圧力補助ロール１２９との中間においては、加熱定着ロール１０１とエンドレスベルト１１５との間にギャップが生じやすく、未定着のトナー１０８が移動するのを防止できる十分な圧力が与えられないことになる。加熱定着ロールおよび加圧定着ロールを使用し、エンドレスベルトを使用しない方式では、圧力が大きいために、このような不具合は少ないが、ベルトニップ方式では、圧力を小さくしているだけに、気泡によりトナー１０８の像が乱される可能性も大きく、実際に使用した場合にも、気泡が原因と考えられる画像のニジミやズレ、乱れなどが発生している。
【００１３】
この発明は前記の課題を考慮してなされたものであり、その目的は、いわゆるベルトニップ内の空気の膨張や水蒸気の発生によるトナー像の乱れを防止しながら、トナー像を定着させることができる画像定着装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願発明に係る画像定着装置は、 表面付近に弾性体層を有し、回転可能に支持された加熱定着ロールと、 前記加熱定着ロールの外周面に沿って湾曲するように接触し、トナー像を担持した記録シートが前記加熱定着ロールとの間に挟み込まれるニップを形成するエンドレスベルトと、 前記エンドレスベルトの内面側に当接され、前記加熱定着ロールの表面に沿って前記エンドレスベルトをほぼ均等な圧力分布で押圧するパッド状の圧力付与部材と、 前記加熱定着ロールの回転方向における前記圧力付与部材の押圧位置より下流側で前記エンドレスベルトを前記加熱定着ロールに押圧し、該加熱定着ロールの前記弾性体層に変形を生じさせる加圧部材とを有し、 前記圧力付与部材による圧接部と前記加圧部材による圧接部との間に、前記エンドレスベルトと前記加熱定着ロールとの接触圧が、前記圧力付与部材の圧接範囲より小さくなる部分が生じないように設定されているものとする。
【００１５】
このような構成の画像定着装置では、圧力付与部材の圧接面が、加熱定着ロールの表面にエンドレスベルトを介して押圧され、エンドレスベルトは加熱定着ロールの周方向に広く圧接されている。この圧力付与部材の圧接面に作用する圧力により、ベルトニップ内での気泡の発生および成長を抑制でき、熱膨張した気泡によって未定着のトナーが攪乱されるのを防止することができる。
【００１６】
また、加熱定着ロールの回転方向における圧力付与部材よりも下流側に、エンドレスベルトを加熱定着ロールに押圧する加圧部材を配設し、該加熱定着ロールの弾性体層を変形させるようにする。これにより、弾性体層の表面速度が局所的に大きくなり、シート上のトナーと弾性体層との界面に微小なスリップが生じてトナーの付着を防止することができる。したがって、シートは加熱定着ロールから容易に剥離される。
【００１７】
そして、この加圧部材は、圧力付与部材と一体に支持させ、該加圧部材が加熱定着ロールに圧接される範囲と、圧力付与部材が加熱定着ロールに圧接される範囲とを、加熱定着ロールの周方向に近接させることができる。これにより、ベルトニップ域の押圧部を周方向に幅広く形成することが可能となり、ニップ域で圧接力が小さくなる部分をなくすことができる。したがって、シートやトナー粒子間に含まれる空気や水蒸気の熱膨張による画像の乱れが抑制される。
【００１８】
このようにエンドレスベルトと加熱定着ロールとの間のギャップの発生を防止するためには、圧力付与部材によってベルトを加熱定着ロールに押え付け、ベルトニップ内の圧力Ｐnを上昇させて、空気又は水蒸気の体積の増大を抑止するものであり、この圧力Ｐnは、具体的には式（１）に示すように設定することが望ましい。
Ｐn ≧ Ｐo（Ｔn／Ｔo−１） （１）
ここで、Ｔnは加熱定着ロールの温度、Ｔoは加熱定着ロールから十分離れた位置における空気の温度（環境温度とする）、Ｐoは大気圧である。
【００１９】
式（１）は、次のように導かれる。まず、理想気体の状態方程式（２）は次の通りである。
ＰＶ ＝ ｎＲＴ （２）
したがって、式（３）（４）が導かれる。
（Ｐo＋Ｐn）Ｖn ＝ ｎＲＴn （３）
ＰoＶo ＝ ｎＲＴo （４）
ここで、Ｖnはベルトニップ内の空気の体積、Ｖoはベルトニップ外の空気の体積である。ベルトニップ内の空気の膨張を抑制するには、Ｖn≦Ｖoでなければならない。このことから、式（５）が導かれる。
Ｔn／（Ｐo＋Ｐn） ≦ Ｔo／Ｐo （５）
そして式（５）を変形すると、式（１）が導かれる。
【００２０】
また、上記発明にあって、エンドレスベルトは、複数のロールに張架されている構成や周方向に無張力状態に支持される構成等を適宜に設定することができる。エンドレスベルトを無張力状態に支持することにより、支持ロールなどの張架手段が不要となるという利点がある。
また、圧力付与部材の圧接面は好適な材料を設定することが望ましい。例えば、圧接面が耐熱性を有する材料からなり、ほぼ全面に微小な凹凸が形成されているものや、耐熱性の繊維からなる布に耐熱性樹脂を含浸させた部材で形成されているもの等を選択できる。そして、加熱定着ロールとエンドレスベルトとの間の摩擦係数μ1 よりも、圧力付与部材とエンドレスベルトとの間の摩擦係数μ2 が小さくなっていることが望ましい。これにより、エンドレスベルトは、圧力付与部材によって停止されずに、加熱定着ロールの回転に追随して走行可能となる。従って、例えば、加熱定着ロールのみが回転してシート上のトナーが加熱定着ロールに擦られて画像が乱れてしまうような不都合を抑制することができる。
【００２１】
一方、圧力付与部材がベルトニップの一部に圧接されるときの周方向の範囲は、エンドレスベルトが加熱定着ロールと当接された位置から、トナーの粘性がガラス状からゴム状流動を生じる状態へ転移する温度に加熱される位置までに設定することもできる。
【００２２】
シート上に担持されたトナーはニップ内に入ると加熱定着ロールによって加熱され温度が上昇する。そして、ある温度に達するとトナーの粒子はガラス状からゴム状流動が生じる状態に転移し、この状態となるとトナー粒子相互間の付着力が発生して容易にはトナー粒子の移動が起こらない。したがって、この温度に加熱されるまでが画像の乱れを生じやすい領域であり、この部分に圧力付与部材を圧接することによって有効に画像の乱れを防止することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、本願発明と同様にパッド状となった圧力付与部材を使用した画像定着装置を参考例として示す概略構成図である。
この画像定着装置は、加熱源を内蔵した加熱定着ロール１と、３つの支持ロール１２，１３，１４に張架され上記加熱定着ロール１に圧接されるエンドレスベルト１５と、このエンドレスベルトの内面側に当接され、加熱定着ロール１の表面に沿ってエンドレスベルト１５を押圧する圧力付与部材１１とで主要部が構成されている。
【００２４】
上記加熱定着ロール１は、内部に円筒状のコア２を有しており、モータ６によって周方向に回転駆動されるものである。このコア２は、外径４７ｍｍ、内径４２ｍｍ、長さ３５０ｍｍのアルミニウムで形成されている。コア２の表面には、下地層３ａとして硬度４５°（ＪＩＳ−Ａ）のＨＴＶシリコーンゴムが厚さ２ｍｍで直接被覆され、さらにその上にトップコート層３ｂとしてＲＴＶシリコーンゴムが厚さ５０μｍでディップコートされている。これにより被覆層３が形成されており、被覆層３は鏡面状態に近い表面に仕上げられている。下地層３ａのゴムの硬度は、Ｔｅｃｌｏｃｋ社製のスプリングタイプのＡ型硬度計により、ＪＩＳ Ｋ６３０１に準拠して、荷重１，０００ｇｆを付加して計測した結果である。なお、コア２としてはアルミニウムでなくても熱伝導率の高い金属製のものを使用することができ、被覆層３としては耐熱性の高い弾性体であれば他の材料を使用することができる。
【００２５】
コア２の内部には、加熱源として出力８５０ｗのハロゲンランプ５が配置されている。また、加熱定着ロール１の表面には温度センサ１０が配置され、この表面の温度を計測する。そして、温度センサ１０の計測信号により、図示しない温度コントローラによってハロゲンランプ５がフィードバック制御されて、加熱定着ロール１の表面が１５０℃に調節されるようになっている。
【００２６】
また、加熱定着ロール１の近傍にはオイル供給装置９が配設されている。オイル供給装置９は、離型剤を貯蔵するタンク９ａからスポンジ状の吸上げ部材９ｂ、ロール９ｃ，９ｄを通じて加熱定着ロール１の表面に離型剤を常に一定量供給する。これによりシート７に未定着のトナー８の像を定着する際に、トナー８の一部が加熱定着ロール１にオフセットするのが防止されている。オイル供給装置９によって供給される離型剤としては、粘度１０００ｃｓのジメチルシリコンオイル（商品名「ＫＦ−９６」：信越化学株式会社製）が使用される。
【００２７】
上記圧力付与部材１１は、ベースプレート１１ａの表面に弾性層１１ｂと低摩擦層１１ｃとを積層して形成したものであり、ベースプレート１１ａ側に配置された圧縮コイルスプリング１６によって加熱定着ロール１に向けて押圧されている。ベースプレート１１ａは、幅（ベルトの走行方向）２０ｍｍ、長さ（紙面の垂直方向）３２０ｍｍ、厚さ５ｍｍのステンレス鋼製のものである。また、弾性層１１ｂは、ゴム硬度２３°のシリコーンスポンジ（シリコーンゴムの発泡体）からなる厚さ５ｍｍのものである。なお、ここでゴム硬度は、高分子科学社製のアスカーＣタイプのスポンジ用ゴム硬度計により、荷重３００ｇｆを付加して計測した結果である。さらに、低摩擦層１１ｃとしては、ポリテトラフルオロエチレンを含浸させたガラス繊維シートである中興化成製の「ＦＧＦ−４００−４」（商品名）を用いている。
【００２８】
ここで弾性層１１ｂが設けられていることにより、低摩擦層１１ｃのエンドレスベルト１５と接触する接触面は、加熱定着ロール１の外周面と整合可能になっている。すなわち、一定以上の荷重によって圧力付与部材１１を加熱定着ロール１に向けて押圧すれば、弾性層１１ｂが変形し、低摩擦層１１ｃの接触面が加熱定着ロール１の外周面に沿って圧接されるように変形するようになっている。したがって、圧力付与部材１１が圧縮コイルスプリング１６によって加熱定着ロール１に押圧されると、エンドレスベルト１５は加熱定着ロール１に隙間なく圧接される。
【００２９】
また、低摩擦層１１ｃの表面には、粘度１０００ｃｓのジメチルシリコンオイル（商品名「ＫＦ−９６」：信越化学株式会社製）が塗布されており、これによってエンドレスベルト１５と圧力付与部材１１との間の摩擦係数が小さくなるようになされている。そして、ジメチルシリコンオイルを塗布した状態では、エンドレスベルト１５と加熱定着ロール１との間の摩擦係数μ１よりも、圧力付与部材１１とエンドレスベルト１５との間の摩擦係数μ２は小さくなっている。このように、エンドレスベルト１５の両面における摩擦係数を設定することによって、エンドレスベルト１５は、加熱定着ロール１の回転に伴って、圧力付与部材１１上を滑りながら走行が可能となる。
【００３０】
上記エンドレスベルト１５は、ポリイミドフィルムにより厚さ７５μｍ、幅３００ｍｍ、周長１８８ｍｍに形成されている。このエンドレスベルト１５は、加熱定着ロール１と離れた位置に配置された支持ロール１２，１３，１４の周囲に約８ｋｇｆの張力で巻回されている。支持ロール１２，１３，１４はステンレスによって形成されており、その直径は、それぞれ１８ｍｍ，１８ｍｍ，２３ｍｍである。
【００３１】
このエンドレスベルト１５は、圧力付与部材１１が加熱定着ロール１に向けて押圧されていることにより、加熱定着ロール１に隙間なく圧接される。このとき、圧力付与部材１１の接触圧力は、約０．５６ｋｇｆ／ｃｍ2 に設定されている。また、加熱定着ロール１が、モータ２７により周速度Ｖ＝２２０ｍｍ／ｓｅｃで回転しており、この回転によりエンドレスベルト１５も速度２２０ｍｍ／ｓｅｃで従動回転するようになっている。
【００３２】
次に、上記画像定着装置の動作について説明する。
上記画像定着装置では、図１中の右側において、図示しない転写装置によりシート７の上にトナー８の像が転写され、ベルトニップに向けてこのシート７が搬送されてくる。シート７は、ベルトニップの圧力付与部材１１の配置されている位置に侵入する。そして、ベルトニップに作用する圧力とハロゲンランプ５によって加熱定着ロール１を通じて与えられる熱により、トナー８の像がシート７上に定着される。
【００３３】
ここで、従来技術のようにベルトニップ内の圧力が十分でない場合には、ベルトニップを通過中にシート７が加熱されることにより、シート７の繊維間およびトナー８の粒子間に含まれていた空気や水蒸気が膨張又は蒸発して、シート７と加熱定着ロール１との間に侵出してくる。そして、この空気や水蒸気がベルトニップ内で気泡となって、未定着のトナー８を攪乱することになる。
【００３４】
しかし、本例の画像定着装置では、エンドレスベルト１５を圧力付与部材１１の接触面によって加熱定着ロール１に向けて押し付けており、この接触面が加熱定着ロール１の外周面とほぼ整合可能になっている。したがって、図２に示すように、エンドレスベルト１５を加熱定着ロール１に対して隙間なく圧接することができ、これによってシート７やトナー８から空気や水蒸気が膨張してくるのを抑制することができる。このため、ベルトニップ内での気泡の発生および成長を抑制でき、成長した気泡によって未定着のトナー８が攪乱されるのを防止することができる。
【００３５】
これと同時に、圧力付与部材１１の接触面で大きな面積にわたって、エンドレスベルト１５と加熱定着ロール１との間に作用する圧接力を与えることができるので、ベルトニップ間を通過するシート７上のトナー８をエンドレスベルト１５と加熱定着ロール１とで確実に押さえて定着させることが可能である。このようにして、トナー像の乱れを防止しながら、トナー像を定着させることができる。すなわち、定着された画像にニジミやズレなどの乱れが生じるのを防止することが可能である。
【００３６】
図３は、本願発明と同様の圧力付与部材を用いた画像定着装置の他の参考例を示す概略構成図である。
この画像定着装置では、エンドレスベルト３５、および圧力付与部材３１の支持の仕方が図１に示す画像定着装置と異なっている。すなわち、図１に示す画像定着装置では、３本の支持ロール１２，１３，１４によってエンドレスベルト１５を張架していたが、ここでは、エンドレスベルト３５は無張力状態で圧力付与部材３１によって加熱定着ロールに押圧されている。この圧力付与部材３１は支持部材３２に取り付けられ、これらがスプリング３６によって加熱定着ロール２１に押圧されており、支持部材３２上に取り付けられた弾性層３１ａとその表面の低摩擦層３１ｂとからなるものである。
【００３７】
また、支持部材３２にはエンドレスベルト３５を案内するためのガイド部材３３が取り付けられ、その表面に周方向に沿って突起部３４が形成されている。エンドレスベルト３５には、ニップ領域外で張力は働いておらず、加熱定着ロール２１の回転に伴ってエンドレスベルト３５がガイド部材３３の周囲を走行するようになっている。エンドレスベルト３５は、厚さ３０μｍのニッケル製のものであり、加熱定着ロール１と圧力付与部材３１とで挟まれるベルトニップの部分では、両者の圧接面の形状に応じて変形するようになっている。ただし、適当な可撓性を有していれば、他の金属でエンドレスベルト３５を形成することも可能である。
【００３８】
上記ガイド部材３３はエンドレスベルト３５の形状に合わせたほぼ円形となっているが、エンドレスベルト３５の走行を妨げるものでなければ、他の形状であってもよい。例えば、楕円形などであってもよい。また、ガイド部材３３の材質も、ある程度の剛性を有し、ベルトニップから熱を奪い過ぎず、エンドレスベルト３５の走行を阻害しなければ、様々なものを使用することができる。例えば、金網や樹脂などでガイド部材３３を形成することができる。
なお、この画像定着装置の他の構成は図１に示す画像定着装置と同じである。
【００３９】
このような画像定着装置では、エンドレスベルト３５は加熱定着ロール２１の回転に伴って回転する。エンドレスベルト３５は金属によって形成されており、図１中に示すエンドレスベルト１５のようなポリイミドフィルム製のものよりも高い剛性を有している。このため、ロールによって張力を与えなくても、波打ちやしわなどが発生することがない。したがって、従来エンドレスベルトの張架に用いられてきたロールを排除することができ、装置の大幅な簡素化、小型化および費用の低減を達成することが可能である。
【００４０】
また、圧力付与部材３１の接触面は加熱定着ロール２１の外周面に合わせて変形し、これにより図４に示すようにエンドレスベルト３５が加熱定着ロール２１に隙間なく広い範囲で圧接される。このとき、圧力付与部材３１による接触圧力は、０．５６ｋｇｆ／ｃｍ2 に設定されており、これによってベルトニップ内の圧力Ｐｎも０．５６ｋｇｆ／ｃｍ2 となる。従って、ベルトニップ内において低圧部分が生じることがなく、空気や水蒸気の熱膨張を抑制してトナー像のずれや乱れを防止することができる。
【００４１】
図５は、請求項２、請求項３、請求項５、請求項６、請求項７又は請求項８に記載の発明の一実施形態である画像定着装置を示す概略構成図である。
この画像定着装置では、エンドレスベルト５５を支持するロールの構成が図１に示す画像定着装置と異なっている。図１に示す画像定着装置では、３本の支持ロール１２，１３，１４によってエンドレスベルト１５を張架していたが、ここでは、該支持ロール１２に代えて、加圧部材である圧力ロール５２が配設され、エンドレスベルト５５を加熱定着ロール４１に圧接するようになっている。
【００４２】
この圧力ロール５２は、加熱定着ロール４１の回転方向における圧力付与部材５１の下流側に設けられており、コイルスプリング５７によって加熱定着ロール４１に約１６ｋｇｆの荷重で押圧されている。これにより、加熱定着ロール４１の弾性層４３に局部的に変形を生じさせるようになっている。この圧力ロール５２および圧力付与部材５１によって、エンドレスベルト５５が加熱定着ロール４１に圧接されており、これらの配置により、加熱定着ロール４１へのエンドレスベルト５５の巻付角度は４５°となっている。この場合ベルトニップの幅は２０ｍｍとなる。
【００４３】
上記圧力付与部材５１は、ベルトの走行方向の幅が１５ｍｍのベースプレート５１ａ上に弾性層５１ｂと低摩擦層５１ｃとを積層したものであり、ベルトニップにおける低摩擦層５１ｃの接触面の幅（ベルトの走行方向で計って）が約１２ｍｍとなっている。ここで加熱定着ロール４１とエンドレスベルト５５とが接触する軸方向の長さは３００ｍｍである。また、圧力付与部材５１の接触荷重は２０ｋｇｆに設定されており、接触面の幅が１２ｍｍであることから、圧力付与部材５１の接触圧力は、０．５６ｋｇｆ／ｃｍ2 となっている。
【００４４】
また、圧力付与部材５１とエンドレスベルト５５との間の摩擦係数μ２は、エンドレスベルト５５と加熱定着ロール４１との間の摩擦係数μ１よりも小さく設定されている。これにより、エンドレスベルト５５は、加熱定着ロール４１の回転に伴って、圧力付与部材５１上を滑りながら走行可能となる。この摩擦係数μ１と摩擦係数μ２との間の差Δμは、大きい方が好適であり、この差Δμについては後述する。
なお、この画像定着装置の他の構成は図１に示す画像定着装置と同じである。
【００４５】
このような画像定着装置では、加熱定着ロール４１が回転駆動されることによってエンドレスベルト５５もこれに従って周回移動する。そして、ベルトニップに未定着のトナー４８を担持したシート４７が送り込まれる。このとき、加熱定着ロール４１及びエンドレスベルト５５の周速は２２０ｍｍ／ｓｅｃとなっている。ベルトニップ内では、圧力付与部材５１と圧力ロール５２とが圧接されることにより、圧力分布は図６に示すようになっており、圧力付与部材５１によって押圧される領域を通過した後に圧接力が小さくなる範囲が生じている。
【００４６】
シート４７上のトナー４８は、このようなベルトニップ内を通過する間に以下のような挙動を示す。すなわち、図７（ａ）に示すように、シート４７上のトナー４８はベルトニップ内を通過する間に加熱され、ベルトニップの中央部付近（ニップ入口から約１０ｍｍの位置）で、トナー４８はガラス状からゴム状流動が生じる状態への転移温度付近まで加熱される。このため、図７（ｂ）に示すようにトナーの粘性率が急激に減少し、トナーはゴム状流動を生じる状態となる。したがって、この後エンドレスベルトの圧接力が小さい領域を通過してもトナーは移動することなく画像の乱れ等を生じない。そして、ベルトニップ内でトナー４８は更に加熱され、ベルトニップに作用する圧力により、トナー４８はシート４７上に融着される。
【００４７】
また、圧力ロール５２との対向位置では、加熱定着ローラ４１が局所的に変形しており、その変形部での表面速度が局所的に大きくなるため、シート４７と加熱定着ローラ４１との間にズレが生じる。このズレによって、トナー４８と加熱定着ローラ４１との界面に微小なスリップを生じて、トナー４８が加熱定着ローラ４１に付着することなく、シート４１上に定着される。
【００４８】
このような画像定着装置において、エンドレスベルト５５と加熱定着ロール４１との間の隙間の発生を防止するためには、圧力付与部材５１によってベルトニップに与える圧力Ｐnが（１）に示す条件を満足すればよいと考えることができる。
Ｐn ≧ Ｐo（Ｔn／Ｔo−１） （１）
【００４９】
ベルトニップ内での定着温度Ｔnを１５０℃とし、環境温度Ｔoを２０℃とすると、上記式（１）より圧力Ｐnを０．４４ｋｇｆ／ｃｍ2 以上にすることが必要となる。本例では、圧力付与部材５１の接触圧力は、０．５６ｋｇｆ／ｃｍ2 としており、これによってベルトニップ内の圧力Ｐnも０．５６ｋｇｆ／ｃｍ2 となって隙間の発生が防止される。
【００５０】
ただし、圧力付与部材５１でエンドレスベルト５５を押圧する領域が短すぎれば、トナー４８がゴム状流動状態となる以前にシート４７がベルトニップの圧力付与部材５１で押圧されている部分を抜け出してしまい、ベルトニップ内の後続の部分でシート４７やトナー４８から膨張した空気や水蒸気が侵出して気泡を形成することになる。
【００５１】
そこで、圧力付与部材５１でエンドレスベルト５５を押圧する長さ（圧力付与部材５１で押圧するニップ幅）を変更して、画像のズレやニジミといった画像の乱れの発生の有無を調べる実験を行った。この実験結果を表１に示す。
【００５２】
【表１】
【００５３】
表１において、記号×はシート７上に目視で認識できる画像の乱れが発生したことを示し、△は目視では分からないが拡大すると認識できる画像の乱れが発生したことを示し、○は拡大しても画像の乱れが発見されず最も良好であったことを示す。この実験では、まず、前記のように、画像の乱れを防止するには、ベルトニップ内の圧力Ｐnが０．４４ｋｇｆ／ｃｍ2 以上であると効果的であることが判明した。
【００５４】
また、ベルトニップ内の圧力Ｐnが０．４４ｋｇｆ／ｃｍ2 以上の条件においては、圧力付与部材５１でエンドレスベルト５５の走行方向においてエンドレスベルト５５を押圧する長さは、６ｍｍでは十分ではなく、１０ｍｍ以上必要であることが分かる。前記のように、本例でのベルトニップの全幅（エンドレスベルト５５の走行方向におけるベルトニップの長さ）は、２０ｍｍであるから、画像の乱れを防止するには、圧力付与部材５１が、エンドレスベルト５５の走行方向におけるベルトニップの長さの１／２以上にわたって、エンドレスベルト５５を押圧しなければならないことになる。
【００５５】
さらに、定着速度を２２０ｍｍ／ｓｅｃから３００ｍｍ／ｓｅｃに高速化した場合、記録シート上のトナー像を定着するためには、加熱定着ロールの温度を１７０°Ｃにする必要がある。この条件で表１と同様の実験を行い、その実験結果を表２に示す。
【表２】
【００５６】
ここで、表１の結果よりも画像乱れが起こりやすくなる傾向がある。これは加熱定着ロールの温度が高いことに起因すると考えられ、式（１）に基づいて導かれるニップ圧力Ｐnの下限値は０．５２ｋｇｆ／ｃｍ2 となる。一方、上記表２に示される実験結果では、ニップ圧力Ｐnが０．５５ｋｇｆ／ｃｍ2 以上で画像乱れが有効に防止されており、式（１）によって導かれる条件を満足することによって画像乱れが防止されることが解る。
【００５７】
次に、図８は、エンドレスベルト５５と加熱定着ロール４１との間の摩擦係数μ１と、圧力付与部材４１とエンドレスベルト５５との間の摩擦係数μ２との差Δμを変更して、加熱定着ロール４１の回転にエンドレスベルト５５が追随して走行することができるか否かを調べた実験結果を示す。同図中、点線は加熱定着ロール４１の周速度Ｖを示し、実線はエンドレスベルト５５の走行速度を示す。なお、加熱定着ロール１の周速度Ｖは、前記の通り２２０ｍｍ／ｓｅｃとした。
【００５８】
前述のように、エンドレスベルト５５が、加熱定着ロール４１の回転に伴って圧力付与部材５１上を滑りながら走行するためには、摩擦係数μ２が摩擦係数μ１よりも小さくなければならない。また、図８より明らかなように、摩擦係数μ１と摩擦係数μ２の差Δμが小さいときには、圧力付与部材５１との摩擦によってエンドレスベルト５５の速度が低下させられ、加熱定着ロール１とエンドレスベルト５５との間に滑りが生じてしまう。そして、エンドレスベルト５５が加熱定着ロール４１の周速度Ｖと等しい速度で走行するためには、摩擦係数μ１と摩擦係数μ２との差Δμが０．５以上であることが好ましい。
【００５９】
図９は、請求項１、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７又は請求項８に記載の発明の一実施形態である画像定着装置を示す概略構成図である。
この画像定着装置では、図３に示す画像定着装置と同様にエンドレスベルト７５が周方向に無張力状態で支持されているが、圧力付与部材７１と加圧部材７６とが支持部材７２上に一体形成されており、この支持部材７２の背面側からスプリング７６によって加熱定着ロール６１に押圧されている。
この加圧部材７６は、ロール状の部材であるが非回転の状態で用いられており、加圧部材７６の押圧力によって加熱定着ロール６１の弾性層６３に変形を生じるようになっている。また、このような変形を生じさせることができるものであれば、ロール状の部材に限らず、エッジあるいは曲率を持った部材を押圧してもよい。
【００６０】
また、上記支持部材７２にはエンドレスベルト７５を案内するためのガイド部材７３が設けられており、図１０に示すようにその表面には、エンドレスベルトの周回移動方向に沿った突起部７４がほぼ等間隔で設けられている。これにより、エンドレスベルト７５の内周面との接触面積が少なくなり、エンドレスベルト７５の走行時の摩擦が小さくなるようにされている。また、ガイド部材７３の両端部には、フランジ７７が設けられており、これによってエンドレスベルト７５が加熱定着ロール６１の軸線方向の片側に寄ったり、ガイド部材７３から外れたりすることが防止されている。
なお、この画像定着装置の他の構成は図３に示す画像定着装置と同じである。
【００６１】
このような画像定着装置では、圧力付与部材７１と加圧部材７６とが一体として支持されており、圧力付与部材７１による圧接部と、加圧部材７６による圧接部とが、加熱定着ロール６１の周方向に近接している。このため、図１１に示すように、圧力付与部材７１と加圧部材７６との間に圧接力の小さい部分が生じないようにニップ圧力分布を設計することが可能となり、より効率的にトナー像のズレや乱れを防止することができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本願に係る発明によれば、ベルトニップにおいてエンドレスベルトを加熱定着ロールに対してギャップが生じることなく押さえ付けることが可能であり、これによってシートの繊維間やトナー粒子間から膨張した空気や水蒸気が侵出してくるのを抑制することができる。このため、ベルトニップ内での気泡の発生および成長を抑制でき、成長した気泡によって未定着のトナーが攪乱されるのを防止することができる。さらに、圧力付与部材でエンドレスベルトと加熱定着ロールとの間の圧接力を大きな面積にわたって与えることができるので、ベルトニップ間を通過するシート上のトナーをエンドレスベルトと加熱定着ロールとで確実に押さえて定着させることが可能である。このようにして、トナー像の乱れを防止しながら、トナー像を定着させることができるため、定着した画像にニジミやズレなどの乱れが生じるのを防止できる。
特に、ベルトニップ内の圧力Ｐnと、ベルトニップ内部の温度Ｔnと、環境温度Ｔoと、大気圧Ｐoとの間に、
Ｐn ≧ Ｐo（Ｔn／Ｔo−１）
の関係が成立するようにしたことによって、前記の効果をさらに確実に達成することができる。
【００６３】
このような画像定着装置で、ベルトの張力によってエンドレスベルトを加熱定着ロールに押圧してもよいが、エンドレスベルトを無張力状態で支持することも可能である。エンドレスベルトに張力が働かなくなるようにすることにより、その張架手段が不要となり、コストダウンが可能となる。
【００６４】
また、圧力付与部材の押圧面を摩擦係数が小さくなる材料で構成することにより、エンドレスベルトが、圧力付与部材によって停止されずに、加熱定着ロールの回転に追随して走行可能となる。このため、例えば、加熱定着ロールのみが回転してシート上のトナーが加熱定着ロールに擦られて画像が乱れてしまうような不都合を抑制することが可能である。すなわち、圧力付与部材の押圧面の材質を適切に設定することにより、エンドレスベルトの走行速度を加熱定着ロールの回転速度に一致させることが可能となり、上記のような効果をさらに確実にすることができる。
【００６５】
また、加熱定着ロールに押圧する加圧部材によって加熱定着ロールとシートとの間にズレを生じさせることができ、シートは容易に剥離されて、いわゆるセルフストリッピングが可能となる。
【００６６】
さらに、圧力付与部材をベルトニップの上流部に設けると、画像乱れの生じない温度にトナーが加熱されるまでの範囲を圧力付与部材で押圧することにより、シートがベルトニップの圧力付与部材で押圧されている部分を抜け出した後のベルトニップ内の低圧の部分で、シートやトナーからの空気や水蒸気が気泡となっても画像の乱れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明と同様の圧力付与部材を用いた画像定着装置を参考例として概略構成図である。
【図２】 図１に示す画像定着装置のベルトニップ領域に作用する圧力分布を示す図である。
【図３】 本願発明と同様の圧力付与部材を用いた画像定着装置の他の参考例を示す概略構成図である。
【図４】 図３に示す画像定着装置のベルトニップ領域に作用する圧力分布を示す図である。
【図５】 本願発明に係る第１の実施形態である画像定着装置を示す概略構成図である。
【図６】 図５に示す画像定着装置のベルトニップ領域に作用する圧力分布を示す図である。
【図７】 図５に示す画像定着装置におけるベルトニップ内のトナーの温度及び粘性率を示すグラフである。
【図８】 図５に示す画像定着装置において、エンドレスベルトと加熱定着ロールとの間の摩擦係数μ１と、圧力付与部材とエンドレスベルトとの間の摩擦係数μ２との差Δμを変更して、加熱定着ロールの回転にエンドレスベルトが追随して走行することができるか否かを調べた実験結果を示すグラフである。
【図９】 本願発明に係る第２の実施形態である画像定着装置を示す概略構成図である。
【図１０】 図９中に示すＡ−Ａでの矢視図である。
【図１１】 図９に示す画像定着装置のベルトニップ領域に作用する圧力分布を示す図である。
【図１２】 従来の画像定着装置の一例を示す概略構成図である。
【図１３】 従来の画像定着装置のベルトニップ領域に作用する圧力分布を示す図である。
【図１４】 従来の画像定着装置における定着温度と、ベルトニップに生じるスペースとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１，２１，４１，６１ 加熱定着ロール、
５，２５，４５，６５ ハロゲンランプ、
６，２６，４６，６６ モータ、
７，２７，４７，６７ シート、
８，２８，４８，６８ 未定着トナー像、
９，２９，４９，６９ オイル供給装置、
１０，３０，５０，７０ 温度センサ、
１１，３１，５１，７１ 圧力付与部材、
１２，１３，１４，５３，５４ 支持ロール、
１５，３５，５５，７５ エンドレスベルト、
１６，３６，５６，７６ 圧縮コイルスプリング、
３２，７２ 支持部材、
３３，７３ ガイド部材、
３４，７４ 突起部、
５２ 圧力ロール、
５７ コイルスプリング、
７６ 加圧部材、
７７ フランジ
【発明の属する技術分野】
この発明は、複写機、プリンター、ファクシミリなどの電子写真方式を利用した画像形成装置において未定着トナー像を加熱定着する画像定着装置に係り、特にベルトニップ方式の画像定着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、この発明の出願人が提案し、特開平５−１５０６７９号公報に開示された画像定着装置を示す。図において、符号１０１は回転可能に配置された加熱定着ロールを示す。この加熱定着ロール１０１は、アルミニウムなどの熱伝導率の高い金属で形成された円筒状のコア１０３を有し、その表面に弾性体からなる被覆層１０４を形成したものである。被覆層１０４は、コア１０３の表面に直接被覆されたＨＴＶ（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｖｕｌｃａｎｉｚａｔｉｏｎ）シリコーンゴムからなる下地層１２０と、その外側に被覆されたＲＴＶ（Ｒｏｏｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｖｕｌｃａｎｉｚａｔｉｏｎ）シリコーンゴムからなるトップコート層１２１とを積層したものである。
【０００３】
コア１０３の内部には、加熱源としてハロゲンランプ１０５が配置されている。また、加熱定着ロール１０１の表面には温度センサ１０６が配置され、この表面の温度を計測する。そして、温度センサ１０６の計測信号により、図示しない温度コントローラが作動されハロゲンランプ１０５の点滅が制御されて、加熱定着ロール１０１の表面が所定の温度に調節されるようになっている。また、加熱定着ロール１０１の表面には、オイル供給装置１０９によって離型剤であるシリコンオイルが供給されており、これによりシート１０７に未定着のトナー１０８の像を定着する際に、トナー１０８の一部が加熱定着ロール１０１にオフセットするのを防止するようになっている。
【０００４】
さらにこの定着装置においては、圧力ロール１２５が、圧縮コイルスプリング１２６によって加熱定着ロール１０１に対して押圧されている。また、加熱定着ロール１０１に向けて圧力補助ロール１２９が押圧されている。そして、圧力ロール１２５および圧力補助ロール１２９の周囲には、ロール１２２，１２３，１２４が配置されており、ロール１２２，１２３，１２４、圧力ロール１２５、圧力補助ロール１２９の周囲にはエンドレスベルト１１５が巻回されている。
【０００５】
圧力ロール１２５および圧力補助ロール１２９が加熱定着ロール１０１に対して圧接させられていることによって、エンドレスベルト１１５は加熱定着ロール１０１に接触して、加熱定着ロール１０１とエンドレスベルト１１５との間が、シート１０７を通過させるためのニップ（ベルトニップ）となる。そして加熱定着ロール１０１およびエンドレスベルト１１５が、矢印に示すように回転すると共に、シート７が回転する加熱定着ロール１０１とエンドレスベルト１１５との間に搬送され、このシート１０７がベルトニップを通過する際に、ベルトニップに作用する圧力とハロゲンランプ１０５から加熱定着ロール１０１を通じて与えられる熱により未定着のトナー１０８がシート１０７上に定着されるようになっている。
【０００６】
このようなベルトニップ方式の構成を採用することにより、シート１０７がベルトニップの幅（図示の例では圧力ロール１２５と圧力補助ロール１２９で押さえられているベルトの長さ）に対応する時間加熱されるようになるので、加熱定着ロール１０１と圧力ロールのみを圧接させてエンドレスベルト１１５を使用しない場合に比べると、シート１０７の搬送速度を大きくしても十分な定着時間を確保することが可能になるという利点がある。また、同じ搬送速度であれば、ベルトニップ方式の方が、エンドレスベルト１１５を使用しない方式よりも加熱時間が長くなり、トナーにより多量の熱を与えることができるため、ベルトニップ方式は特に多層のトナーを所望の色に発色させるカラー複写機の定着に適している。
【０００７】
また、この画像定着装置においては、加熱定着ロール１０１の表面に弾性体であるシリコーンゴムからなる被覆層１０４が形成されており、この被覆層１０４が圧力ロール１２５の圧接力を受けて圧接領域において局所的に歪むようになっている。すなわち、被覆層１０４の表面速度が局所的に大きくなるため、圧力ロール１２５の圧接領域においてシートと被覆層１０４との間に微小なズレが生じる。また、高温状態のトナー１０８は被覆層１０４へ付着しようとする傾向があるが、このときのズレによってトナー１０８と被覆層１０４との界面に微小なスリップが生じ、その付着が防止されていると考えられる。
【０００８】
これによって、シート１０７はトナー１０８と加熱定着ロール１０１との付着力に抗して加熱定着ロール１０１から剥離される。溶融されたトナーと加熱定着ロール１０１との表面の付着力は、両者の界面化学的な材料物性値にも左右されるので、シート１０７が剥離する挙動はトナーの種類や被覆層１０４の材質に応じて異なるが、この画像定着装置によると、剥離爪などの剥離手段を使用しなくても、シート１０７を加熱定着ロール１０１から剥離することができる（以下、これをセルフストリッピングという）。このため、腰が弱くて剥離しにくい薄紙や、多量のトナーが付着した用紙でも、セルフストリッピングさせることができる。
【０００９】
その他、ベルトニップ方式を採用した画像定着装置としては、特開昭５２−６９３３７号公報、特開昭６０−１５１６７７号公報、特開昭６０−１５１６８１号公報、特開昭６２−１４６７５号公報、特開平２−２２２９８２号公報、特開平２−３０８２８７号公報、特開平４−５０８８５号公報、特開平４−１１５２７９号公報、実開昭６０−１０４８５２号公報、実開平２−３０９６１号公報、実開平３−８６３７４号公報、実開平３−９２６６１号公報および実開平４−５０８６４号公報に記載されたものがある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のベルトニップ方式の画像定着装置には、次のような問題がある。すなわち、現在主流となっている熱融着式のトナー１０８を利用した場合には、シート１０７を必ず加熱してトナー１０８をシート１０７に融着させなければならないが、この加熱の際には暖まったシート１０７の繊維の間隙やトナー粒子の間隙から空気が熱膨張したり水蒸気が蒸発してくる。このような空気や水蒸気は、シート１０７がベルトニップ内で加熱されることにより発生し、シート１０７がベルトニップを通過するまでベルトニップ内、具体的にはシート１０７と加熱定着ロール１０１またはエンドレスベルト１１５との間に気泡となって介在し、シート１０７がベルトニップを通過し終えると同時に外部に排出される。このベルトニップ内では、図１３に示すように、圧力ロール１２５による押圧部と圧力補助ロール１２９による押圧部との間に、圧接力の小さい領域が広く存在しており、この領域に気泡が介在すると、加熱定着ロール１０１とエンドレスベルト１１５との間にギャップが生じることがある。このようなギャップが生じると、ベルトニップ内にあるシート１０７上のトナー１０８がまだすべて定着していない状態では、未定着のトナー１０８が、気泡が動き回ることによって移動してしまうことがある。このため、画像のニジミやズレ、乱れなどが発生するという問題点がある。
【００１１】
図１４は、図１１に示す装置で未着のトナー１０８の像を定着する際に、ベルトニップの中央すなわち圧力ロール１２５と圧力補助ロール１２９との中間で、加熱定着ロール１０１とエンドレスベルト１１５との間に生じたギャップを計測した結果を示す。なお、使用したシートは富士ゼロックス社製のＡ３サイズのＪ紙であり、ギャップは加熱定着ロールとエンドレスベルト間の間隔を測定し、この値から紙の厚さを差し引いたものである。図１４の結果からも明らかなように、定着ロール温度がほぼ環境温度の場合にはギャップはないが、定着ロール温度を高くすると、加熱定着ロール１０１とエンドレスベルト１１５との間に生じるギャップが大きくなっていく。これは、空気や水蒸気が熱膨張するためであると考えられる。つまり、ベルト張力によるエンドレスベルトの加熱定着ロールへの押圧力は小さいため、空気や水蒸気の熱膨張を押さえきれずギャップが生じるものと考える。
【００１２】
したがって、圧力ロールおよび圧力補助ロールは、この空気や水蒸気の熱膨張を押さえてギャップが生じないだけの荷重を加えなければならない。
しかし、圧接力の小さい部分、すなわち圧力ロール１２５と圧力補助ロール１２９との中間においては、加熱定着ロール１０１とエンドレスベルト１１５との間にギャップが生じやすく、未定着のトナー１０８が移動するのを防止できる十分な圧力が与えられないことになる。加熱定着ロールおよび加圧定着ロールを使用し、エンドレスベルトを使用しない方式では、圧力が大きいために、このような不具合は少ないが、ベルトニップ方式では、圧力を小さくしているだけに、気泡によりトナー１０８の像が乱される可能性も大きく、実際に使用した場合にも、気泡が原因と考えられる画像のニジミやズレ、乱れなどが発生している。
【００１３】
この発明は前記の課題を考慮してなされたものであり、その目的は、いわゆるベルトニップ内の空気の膨張や水蒸気の発生によるトナー像の乱れを防止しながら、トナー像を定着させることができる画像定着装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願発明に係る画像定着装置は、 表面付近に弾性体層を有し、回転可能に支持された加熱定着ロールと、 前記加熱定着ロールの外周面に沿って湾曲するように接触し、トナー像を担持した記録シートが前記加熱定着ロールとの間に挟み込まれるニップを形成するエンドレスベルトと、 前記エンドレスベルトの内面側に当接され、前記加熱定着ロールの表面に沿って前記エンドレスベルトをほぼ均等な圧力分布で押圧するパッド状の圧力付与部材と、 前記加熱定着ロールの回転方向における前記圧力付与部材の押圧位置より下流側で前記エンドレスベルトを前記加熱定着ロールに押圧し、該加熱定着ロールの前記弾性体層に変形を生じさせる加圧部材とを有し、 前記圧力付与部材による圧接部と前記加圧部材による圧接部との間に、前記エンドレスベルトと前記加熱定着ロールとの接触圧が、前記圧力付与部材の圧接範囲より小さくなる部分が生じないように設定されているものとする。
【００１５】
このような構成の画像定着装置では、圧力付与部材の圧接面が、加熱定着ロールの表面にエンドレスベルトを介して押圧され、エンドレスベルトは加熱定着ロールの周方向に広く圧接されている。この圧力付与部材の圧接面に作用する圧力により、ベルトニップ内での気泡の発生および成長を抑制でき、熱膨張した気泡によって未定着のトナーが攪乱されるのを防止することができる。
【００１６】
また、加熱定着ロールの回転方向における圧力付与部材よりも下流側に、エンドレスベルトを加熱定着ロールに押圧する加圧部材を配設し、該加熱定着ロールの弾性体層を変形させるようにする。これにより、弾性体層の表面速度が局所的に大きくなり、シート上のトナーと弾性体層との界面に微小なスリップが生じてトナーの付着を防止することができる。したがって、シートは加熱定着ロールから容易に剥離される。
【００１７】
そして、この加圧部材は、圧力付与部材と一体に支持させ、該加圧部材が加熱定着ロールに圧接される範囲と、圧力付与部材が加熱定着ロールに圧接される範囲とを、加熱定着ロールの周方向に近接させることができる。これにより、ベルトニップ域の押圧部を周方向に幅広く形成することが可能となり、ニップ域で圧接力が小さくなる部分をなくすことができる。したがって、シートやトナー粒子間に含まれる空気や水蒸気の熱膨張による画像の乱れが抑制される。
【００１８】
このようにエンドレスベルトと加熱定着ロールとの間のギャップの発生を防止するためには、圧力付与部材によってベルトを加熱定着ロールに押え付け、ベルトニップ内の圧力Ｐnを上昇させて、空気又は水蒸気の体積の増大を抑止するものであり、この圧力Ｐnは、具体的には式（１）に示すように設定することが望ましい。
Ｐn ≧ Ｐo（Ｔn／Ｔo−１） （１）
ここで、Ｔnは加熱定着ロールの温度、Ｔoは加熱定着ロールから十分離れた位置における空気の温度（環境温度とする）、Ｐoは大気圧である。
【００１９】
式（１）は、次のように導かれる。まず、理想気体の状態方程式（２）は次の通りである。
ＰＶ ＝ ｎＲＴ （２）
したがって、式（３）（４）が導かれる。
（Ｐo＋Ｐn）Ｖn ＝ ｎＲＴn （３）
ＰoＶo ＝ ｎＲＴo （４）
ここで、Ｖnはベルトニップ内の空気の体積、Ｖoはベルトニップ外の空気の体積である。ベルトニップ内の空気の膨張を抑制するには、Ｖn≦Ｖoでなければならない。このことから、式（５）が導かれる。
Ｔn／（Ｐo＋Ｐn） ≦ Ｔo／Ｐo （５）
そして式（５）を変形すると、式（１）が導かれる。
【００２０】
また、上記発明にあって、エンドレスベルトは、複数のロールに張架されている構成や周方向に無張力状態に支持される構成等を適宜に設定することができる。エンドレスベルトを無張力状態に支持することにより、支持ロールなどの張架手段が不要となるという利点がある。
また、圧力付与部材の圧接面は好適な材料を設定することが望ましい。例えば、圧接面が耐熱性を有する材料からなり、ほぼ全面に微小な凹凸が形成されているものや、耐熱性の繊維からなる布に耐熱性樹脂を含浸させた部材で形成されているもの等を選択できる。そして、加熱定着ロールとエンドレスベルトとの間の摩擦係数μ1 よりも、圧力付与部材とエンドレスベルトとの間の摩擦係数μ2 が小さくなっていることが望ましい。これにより、エンドレスベルトは、圧力付与部材によって停止されずに、加熱定着ロールの回転に追随して走行可能となる。従って、例えば、加熱定着ロールのみが回転してシート上のトナーが加熱定着ロールに擦られて画像が乱れてしまうような不都合を抑制することができる。
【００２１】
一方、圧力付与部材がベルトニップの一部に圧接されるときの周方向の範囲は、エンドレスベルトが加熱定着ロールと当接された位置から、トナーの粘性がガラス状からゴム状流動を生じる状態へ転移する温度に加熱される位置までに設定することもできる。
【００２２】
シート上に担持されたトナーはニップ内に入ると加熱定着ロールによって加熱され温度が上昇する。そして、ある温度に達するとトナーの粒子はガラス状からゴム状流動が生じる状態に転移し、この状態となるとトナー粒子相互間の付着力が発生して容易にはトナー粒子の移動が起こらない。したがって、この温度に加熱されるまでが画像の乱れを生じやすい領域であり、この部分に圧力付与部材を圧接することによって有効に画像の乱れを防止することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、本願発明と同様にパッド状となった圧力付与部材を使用した画像定着装置を参考例として示す概略構成図である。
この画像定着装置は、加熱源を内蔵した加熱定着ロール１と、３つの支持ロール１２，１３，１４に張架され上記加熱定着ロール１に圧接されるエンドレスベルト１５と、このエンドレスベルトの内面側に当接され、加熱定着ロール１の表面に沿ってエンドレスベルト１５を押圧する圧力付与部材１１とで主要部が構成されている。
【００２４】
上記加熱定着ロール１は、内部に円筒状のコア２を有しており、モータ６によって周方向に回転駆動されるものである。このコア２は、外径４７ｍｍ、内径４２ｍｍ、長さ３５０ｍｍのアルミニウムで形成されている。コア２の表面には、下地層３ａとして硬度４５°（ＪＩＳ−Ａ）のＨＴＶシリコーンゴムが厚さ２ｍｍで直接被覆され、さらにその上にトップコート層３ｂとしてＲＴＶシリコーンゴムが厚さ５０μｍでディップコートされている。これにより被覆層３が形成されており、被覆層３は鏡面状態に近い表面に仕上げられている。下地層３ａのゴムの硬度は、Ｔｅｃｌｏｃｋ社製のスプリングタイプのＡ型硬度計により、ＪＩＳ Ｋ６３０１に準拠して、荷重１，０００ｇｆを付加して計測した結果である。なお、コア２としてはアルミニウムでなくても熱伝導率の高い金属製のものを使用することができ、被覆層３としては耐熱性の高い弾性体であれば他の材料を使用することができる。
【００２５】
コア２の内部には、加熱源として出力８５０ｗのハロゲンランプ５が配置されている。また、加熱定着ロール１の表面には温度センサ１０が配置され、この表面の温度を計測する。そして、温度センサ１０の計測信号により、図示しない温度コントローラによってハロゲンランプ５がフィードバック制御されて、加熱定着ロール１の表面が１５０℃に調節されるようになっている。
【００２６】
また、加熱定着ロール１の近傍にはオイル供給装置９が配設されている。オイル供給装置９は、離型剤を貯蔵するタンク９ａからスポンジ状の吸上げ部材９ｂ、ロール９ｃ，９ｄを通じて加熱定着ロール１の表面に離型剤を常に一定量供給する。これによりシート７に未定着のトナー８の像を定着する際に、トナー８の一部が加熱定着ロール１にオフセットするのが防止されている。オイル供給装置９によって供給される離型剤としては、粘度１０００ｃｓのジメチルシリコンオイル（商品名「ＫＦ−９６」：信越化学株式会社製）が使用される。
【００２７】
上記圧力付与部材１１は、ベースプレート１１ａの表面に弾性層１１ｂと低摩擦層１１ｃとを積層して形成したものであり、ベースプレート１１ａ側に配置された圧縮コイルスプリング１６によって加熱定着ロール１に向けて押圧されている。ベースプレート１１ａは、幅（ベルトの走行方向）２０ｍｍ、長さ（紙面の垂直方向）３２０ｍｍ、厚さ５ｍｍのステンレス鋼製のものである。また、弾性層１１ｂは、ゴム硬度２３°のシリコーンスポンジ（シリコーンゴムの発泡体）からなる厚さ５ｍｍのものである。なお、ここでゴム硬度は、高分子科学社製のアスカーＣタイプのスポンジ用ゴム硬度計により、荷重３００ｇｆを付加して計測した結果である。さらに、低摩擦層１１ｃとしては、ポリテトラフルオロエチレンを含浸させたガラス繊維シートである中興化成製の「ＦＧＦ−４００−４」（商品名）を用いている。
【００２８】
ここで弾性層１１ｂが設けられていることにより、低摩擦層１１ｃのエンドレスベルト１５と接触する接触面は、加熱定着ロール１の外周面と整合可能になっている。すなわち、一定以上の荷重によって圧力付与部材１１を加熱定着ロール１に向けて押圧すれば、弾性層１１ｂが変形し、低摩擦層１１ｃの接触面が加熱定着ロール１の外周面に沿って圧接されるように変形するようになっている。したがって、圧力付与部材１１が圧縮コイルスプリング１６によって加熱定着ロール１に押圧されると、エンドレスベルト１５は加熱定着ロール１に隙間なく圧接される。
【００２９】
また、低摩擦層１１ｃの表面には、粘度１０００ｃｓのジメチルシリコンオイル（商品名「ＫＦ−９６」：信越化学株式会社製）が塗布されており、これによってエンドレスベルト１５と圧力付与部材１１との間の摩擦係数が小さくなるようになされている。そして、ジメチルシリコンオイルを塗布した状態では、エンドレスベルト１５と加熱定着ロール１との間の摩擦係数μ１よりも、圧力付与部材１１とエンドレスベルト１５との間の摩擦係数μ２は小さくなっている。このように、エンドレスベルト１５の両面における摩擦係数を設定することによって、エンドレスベルト１５は、加熱定着ロール１の回転に伴って、圧力付与部材１１上を滑りながら走行が可能となる。
【００３０】
上記エンドレスベルト１５は、ポリイミドフィルムにより厚さ７５μｍ、幅３００ｍｍ、周長１８８ｍｍに形成されている。このエンドレスベルト１５は、加熱定着ロール１と離れた位置に配置された支持ロール１２，１３，１４の周囲に約８ｋｇｆの張力で巻回されている。支持ロール１２，１３，１４はステンレスによって形成されており、その直径は、それぞれ１８ｍｍ，１８ｍｍ，２３ｍｍである。
【００３１】
このエンドレスベルト１５は、圧力付与部材１１が加熱定着ロール１に向けて押圧されていることにより、加熱定着ロール１に隙間なく圧接される。このとき、圧力付与部材１１の接触圧力は、約０．５６ｋｇｆ／ｃｍ2 に設定されている。また、加熱定着ロール１が、モータ２７により周速度Ｖ＝２２０ｍｍ／ｓｅｃで回転しており、この回転によりエンドレスベルト１５も速度２２０ｍｍ／ｓｅｃで従動回転するようになっている。
【００３２】
次に、上記画像定着装置の動作について説明する。
上記画像定着装置では、図１中の右側において、図示しない転写装置によりシート７の上にトナー８の像が転写され、ベルトニップに向けてこのシート７が搬送されてくる。シート７は、ベルトニップの圧力付与部材１１の配置されている位置に侵入する。そして、ベルトニップに作用する圧力とハロゲンランプ５によって加熱定着ロール１を通じて与えられる熱により、トナー８の像がシート７上に定着される。
【００３３】
ここで、従来技術のようにベルトニップ内の圧力が十分でない場合には、ベルトニップを通過中にシート７が加熱されることにより、シート７の繊維間およびトナー８の粒子間に含まれていた空気や水蒸気が膨張又は蒸発して、シート７と加熱定着ロール１との間に侵出してくる。そして、この空気や水蒸気がベルトニップ内で気泡となって、未定着のトナー８を攪乱することになる。
【００３４】
しかし、本例の画像定着装置では、エンドレスベルト１５を圧力付与部材１１の接触面によって加熱定着ロール１に向けて押し付けており、この接触面が加熱定着ロール１の外周面とほぼ整合可能になっている。したがって、図２に示すように、エンドレスベルト１５を加熱定着ロール１に対して隙間なく圧接することができ、これによってシート７やトナー８から空気や水蒸気が膨張してくるのを抑制することができる。このため、ベルトニップ内での気泡の発生および成長を抑制でき、成長した気泡によって未定着のトナー８が攪乱されるのを防止することができる。
【００３５】
これと同時に、圧力付与部材１１の接触面で大きな面積にわたって、エンドレスベルト１５と加熱定着ロール１との間に作用する圧接力を与えることができるので、ベルトニップ間を通過するシート７上のトナー８をエンドレスベルト１５と加熱定着ロール１とで確実に押さえて定着させることが可能である。このようにして、トナー像の乱れを防止しながら、トナー像を定着させることができる。すなわち、定着された画像にニジミやズレなどの乱れが生じるのを防止することが可能である。
【００３６】
図３は、本願発明と同様の圧力付与部材を用いた画像定着装置の他の参考例を示す概略構成図である。
この画像定着装置では、エンドレスベルト３５、および圧力付与部材３１の支持の仕方が図１に示す画像定着装置と異なっている。すなわち、図１に示す画像定着装置では、３本の支持ロール１２，１３，１４によってエンドレスベルト１５を張架していたが、ここでは、エンドレスベルト３５は無張力状態で圧力付与部材３１によって加熱定着ロールに押圧されている。この圧力付与部材３１は支持部材３２に取り付けられ、これらがスプリング３６によって加熱定着ロール２１に押圧されており、支持部材３２上に取り付けられた弾性層３１ａとその表面の低摩擦層３１ｂとからなるものである。
【００３７】
また、支持部材３２にはエンドレスベルト３５を案内するためのガイド部材３３が取り付けられ、その表面に周方向に沿って突起部３４が形成されている。エンドレスベルト３５には、ニップ領域外で張力は働いておらず、加熱定着ロール２１の回転に伴ってエンドレスベルト３５がガイド部材３３の周囲を走行するようになっている。エンドレスベルト３５は、厚さ３０μｍのニッケル製のものであり、加熱定着ロール１と圧力付与部材３１とで挟まれるベルトニップの部分では、両者の圧接面の形状に応じて変形するようになっている。ただし、適当な可撓性を有していれば、他の金属でエンドレスベルト３５を形成することも可能である。
【００３８】
上記ガイド部材３３はエンドレスベルト３５の形状に合わせたほぼ円形となっているが、エンドレスベルト３５の走行を妨げるものでなければ、他の形状であってもよい。例えば、楕円形などであってもよい。また、ガイド部材３３の材質も、ある程度の剛性を有し、ベルトニップから熱を奪い過ぎず、エンドレスベルト３５の走行を阻害しなければ、様々なものを使用することができる。例えば、金網や樹脂などでガイド部材３３を形成することができる。
なお、この画像定着装置の他の構成は図１に示す画像定着装置と同じである。
【００３９】
このような画像定着装置では、エンドレスベルト３５は加熱定着ロール２１の回転に伴って回転する。エンドレスベルト３５は金属によって形成されており、図１中に示すエンドレスベルト１５のようなポリイミドフィルム製のものよりも高い剛性を有している。このため、ロールによって張力を与えなくても、波打ちやしわなどが発生することがない。したがって、従来エンドレスベルトの張架に用いられてきたロールを排除することができ、装置の大幅な簡素化、小型化および費用の低減を達成することが可能である。
【００４０】
また、圧力付与部材３１の接触面は加熱定着ロール２１の外周面に合わせて変形し、これにより図４に示すようにエンドレスベルト３５が加熱定着ロール２１に隙間なく広い範囲で圧接される。このとき、圧力付与部材３１による接触圧力は、０．５６ｋｇｆ／ｃｍ2 に設定されており、これによってベルトニップ内の圧力Ｐｎも０．５６ｋｇｆ／ｃｍ2 となる。従って、ベルトニップ内において低圧部分が生じることがなく、空気や水蒸気の熱膨張を抑制してトナー像のずれや乱れを防止することができる。
【００４１】
図５は、請求項２、請求項３、請求項５、請求項６、請求項７又は請求項８に記載の発明の一実施形態である画像定着装置を示す概略構成図である。
この画像定着装置では、エンドレスベルト５５を支持するロールの構成が図１に示す画像定着装置と異なっている。図１に示す画像定着装置では、３本の支持ロール１２，１３，１４によってエンドレスベルト１５を張架していたが、ここでは、該支持ロール１２に代えて、加圧部材である圧力ロール５２が配設され、エンドレスベルト５５を加熱定着ロール４１に圧接するようになっている。
【００４２】
この圧力ロール５２は、加熱定着ロール４１の回転方向における圧力付与部材５１の下流側に設けられており、コイルスプリング５７によって加熱定着ロール４１に約１６ｋｇｆの荷重で押圧されている。これにより、加熱定着ロール４１の弾性層４３に局部的に変形を生じさせるようになっている。この圧力ロール５２および圧力付与部材５１によって、エンドレスベルト５５が加熱定着ロール４１に圧接されており、これらの配置により、加熱定着ロール４１へのエンドレスベルト５５の巻付角度は４５°となっている。この場合ベルトニップの幅は２０ｍｍとなる。
【００４３】
上記圧力付与部材５１は、ベルトの走行方向の幅が１５ｍｍのベースプレート５１ａ上に弾性層５１ｂと低摩擦層５１ｃとを積層したものであり、ベルトニップにおける低摩擦層５１ｃの接触面の幅（ベルトの走行方向で計って）が約１２ｍｍとなっている。ここで加熱定着ロール４１とエンドレスベルト５５とが接触する軸方向の長さは３００ｍｍである。また、圧力付与部材５１の接触荷重は２０ｋｇｆに設定されており、接触面の幅が１２ｍｍであることから、圧力付与部材５１の接触圧力は、０．５６ｋｇｆ／ｃｍ2 となっている。
【００４４】
また、圧力付与部材５１とエンドレスベルト５５との間の摩擦係数μ２は、エンドレスベルト５５と加熱定着ロール４１との間の摩擦係数μ１よりも小さく設定されている。これにより、エンドレスベルト５５は、加熱定着ロール４１の回転に伴って、圧力付与部材５１上を滑りながら走行可能となる。この摩擦係数μ１と摩擦係数μ２との間の差Δμは、大きい方が好適であり、この差Δμについては後述する。
なお、この画像定着装置の他の構成は図１に示す画像定着装置と同じである。
【００４５】
このような画像定着装置では、加熱定着ロール４１が回転駆動されることによってエンドレスベルト５５もこれに従って周回移動する。そして、ベルトニップに未定着のトナー４８を担持したシート４７が送り込まれる。このとき、加熱定着ロール４１及びエンドレスベルト５５の周速は２２０ｍｍ／ｓｅｃとなっている。ベルトニップ内では、圧力付与部材５１と圧力ロール５２とが圧接されることにより、圧力分布は図６に示すようになっており、圧力付与部材５１によって押圧される領域を通過した後に圧接力が小さくなる範囲が生じている。
【００４６】
シート４７上のトナー４８は、このようなベルトニップ内を通過する間に以下のような挙動を示す。すなわち、図７（ａ）に示すように、シート４７上のトナー４８はベルトニップ内を通過する間に加熱され、ベルトニップの中央部付近（ニップ入口から約１０ｍｍの位置）で、トナー４８はガラス状からゴム状流動が生じる状態への転移温度付近まで加熱される。このため、図７（ｂ）に示すようにトナーの粘性率が急激に減少し、トナーはゴム状流動を生じる状態となる。したがって、この後エンドレスベルトの圧接力が小さい領域を通過してもトナーは移動することなく画像の乱れ等を生じない。そして、ベルトニップ内でトナー４８は更に加熱され、ベルトニップに作用する圧力により、トナー４８はシート４７上に融着される。
【００４７】
また、圧力ロール５２との対向位置では、加熱定着ローラ４１が局所的に変形しており、その変形部での表面速度が局所的に大きくなるため、シート４７と加熱定着ローラ４１との間にズレが生じる。このズレによって、トナー４８と加熱定着ローラ４１との界面に微小なスリップを生じて、トナー４８が加熱定着ローラ４１に付着することなく、シート４１上に定着される。
【００４８】
このような画像定着装置において、エンドレスベルト５５と加熱定着ロール４１との間の隙間の発生を防止するためには、圧力付与部材５１によってベルトニップに与える圧力Ｐnが（１）に示す条件を満足すればよいと考えることができる。
Ｐn ≧ Ｐo（Ｔn／Ｔo−１） （１）
【００４９】
ベルトニップ内での定着温度Ｔnを１５０℃とし、環境温度Ｔoを２０℃とすると、上記式（１）より圧力Ｐnを０．４４ｋｇｆ／ｃｍ2 以上にすることが必要となる。本例では、圧力付与部材５１の接触圧力は、０．５６ｋｇｆ／ｃｍ2 としており、これによってベルトニップ内の圧力Ｐnも０．５６ｋｇｆ／ｃｍ2 となって隙間の発生が防止される。
【００５０】
ただし、圧力付与部材５１でエンドレスベルト５５を押圧する領域が短すぎれば、トナー４８がゴム状流動状態となる以前にシート４７がベルトニップの圧力付与部材５１で押圧されている部分を抜け出してしまい、ベルトニップ内の後続の部分でシート４７やトナー４８から膨張した空気や水蒸気が侵出して気泡を形成することになる。
【００５１】
そこで、圧力付与部材５１でエンドレスベルト５５を押圧する長さ（圧力付与部材５１で押圧するニップ幅）を変更して、画像のズレやニジミといった画像の乱れの発生の有無を調べる実験を行った。この実験結果を表１に示す。
【００５２】
【表１】
表１において、記号×はシート７上に目視で認識できる画像の乱れが発生したことを示し、△は目視では分からないが拡大すると認識できる画像の乱れが発生したことを示し、○は拡大しても画像の乱れが発見されず最も良好であったことを示す。この実験では、まず、前記のように、画像の乱れを防止するには、ベルトニップ内の圧力Ｐnが０．４４ｋｇｆ／ｃｍ2 以上であると効果的であることが判明した。
【００５４】
また、ベルトニップ内の圧力Ｐnが０．４４ｋｇｆ／ｃｍ2 以上の条件においては、圧力付与部材５１でエンドレスベルト５５の走行方向においてエンドレスベルト５５を押圧する長さは、６ｍｍでは十分ではなく、１０ｍｍ以上必要であることが分かる。前記のように、本例でのベルトニップの全幅（エンドレスベルト５５の走行方向におけるベルトニップの長さ）は、２０ｍｍであるから、画像の乱れを防止するには、圧力付与部材５１が、エンドレスベルト５５の走行方向におけるベルトニップの長さの１／２以上にわたって、エンドレスベルト５５を押圧しなければならないことになる。
【００５５】
さらに、定着速度を２２０ｍｍ／ｓｅｃから３００ｍｍ／ｓｅｃに高速化した場合、記録シート上のトナー像を定着するためには、加熱定着ロールの温度を１７０°Ｃにする必要がある。この条件で表１と同様の実験を行い、その実験結果を表２に示す。
【表２】
ここで、表１の結果よりも画像乱れが起こりやすくなる傾向がある。これは加熱定着ロールの温度が高いことに起因すると考えられ、式（１）に基づいて導かれるニップ圧力Ｐnの下限値は０．５２ｋｇｆ／ｃｍ2 となる。一方、上記表２に示される実験結果では、ニップ圧力Ｐnが０．５５ｋｇｆ／ｃｍ2 以上で画像乱れが有効に防止されており、式（１）によって導かれる条件を満足することによって画像乱れが防止されることが解る。
【００５７】
次に、図８は、エンドレスベルト５５と加熱定着ロール４１との間の摩擦係数μ１と、圧力付与部材４１とエンドレスベルト５５との間の摩擦係数μ２との差Δμを変更して、加熱定着ロール４１の回転にエンドレスベルト５５が追随して走行することができるか否かを調べた実験結果を示す。同図中、点線は加熱定着ロール４１の周速度Ｖを示し、実線はエンドレスベルト５５の走行速度を示す。なお、加熱定着ロール１の周速度Ｖは、前記の通り２２０ｍｍ／ｓｅｃとした。
【００５８】
前述のように、エンドレスベルト５５が、加熱定着ロール４１の回転に伴って圧力付与部材５１上を滑りながら走行するためには、摩擦係数μ２が摩擦係数μ１よりも小さくなければならない。また、図８より明らかなように、摩擦係数μ１と摩擦係数μ２の差Δμが小さいときには、圧力付与部材５１との摩擦によってエンドレスベルト５５の速度が低下させられ、加熱定着ロール１とエンドレスベルト５５との間に滑りが生じてしまう。そして、エンドレスベルト５５が加熱定着ロール４１の周速度Ｖと等しい速度で走行するためには、摩擦係数μ１と摩擦係数μ２との差Δμが０．５以上であることが好ましい。
【００５９】
図９は、請求項１、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７又は請求項８に記載の発明の一実施形態である画像定着装置を示す概略構成図である。
この画像定着装置では、図３に示す画像定着装置と同様にエンドレスベルト７５が周方向に無張力状態で支持されているが、圧力付与部材７１と加圧部材７６とが支持部材７２上に一体形成されており、この支持部材７２の背面側からスプリング７６によって加熱定着ロール６１に押圧されている。
この加圧部材７６は、ロール状の部材であるが非回転の状態で用いられており、加圧部材７６の押圧力によって加熱定着ロール６１の弾性層６３に変形を生じるようになっている。また、このような変形を生じさせることができるものであれば、ロール状の部材に限らず、エッジあるいは曲率を持った部材を押圧してもよい。
【００６０】
また、上記支持部材７２にはエンドレスベルト７５を案内するためのガイド部材７３が設けられており、図１０に示すようにその表面には、エンドレスベルトの周回移動方向に沿った突起部７４がほぼ等間隔で設けられている。これにより、エンドレスベルト７５の内周面との接触面積が少なくなり、エンドレスベルト７５の走行時の摩擦が小さくなるようにされている。また、ガイド部材７３の両端部には、フランジ７７が設けられており、これによってエンドレスベルト７５が加熱定着ロール６１の軸線方向の片側に寄ったり、ガイド部材７３から外れたりすることが防止されている。
なお、この画像定着装置の他の構成は図３に示す画像定着装置と同じである。
【００６１】
このような画像定着装置では、圧力付与部材７１と加圧部材７６とが一体として支持されており、圧力付与部材７１による圧接部と、加圧部材７６による圧接部とが、加熱定着ロール６１の周方向に近接している。このため、図１１に示すように、圧力付与部材７１と加圧部材７６との間に圧接力の小さい部分が生じないようにニップ圧力分布を設計することが可能となり、より効率的にトナー像のズレや乱れを防止することができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本願に係る発明によれば、ベルトニップにおいてエンドレスベルトを加熱定着ロールに対してギャップが生じることなく押さえ付けることが可能であり、これによってシートの繊維間やトナー粒子間から膨張した空気や水蒸気が侵出してくるのを抑制することができる。このため、ベルトニップ内での気泡の発生および成長を抑制でき、成長した気泡によって未定着のトナーが攪乱されるのを防止することができる。さらに、圧力付与部材でエンドレスベルトと加熱定着ロールとの間の圧接力を大きな面積にわたって与えることができるので、ベルトニップ間を通過するシート上のトナーをエンドレスベルトと加熱定着ロールとで確実に押さえて定着させることが可能である。このようにして、トナー像の乱れを防止しながら、トナー像を定着させることができるため、定着した画像にニジミやズレなどの乱れが生じるのを防止できる。
特に、ベルトニップ内の圧力Ｐnと、ベルトニップ内部の温度Ｔnと、環境温度Ｔoと、大気圧Ｐoとの間に、
Ｐn ≧ Ｐo（Ｔn／Ｔo−１）
の関係が成立するようにしたことによって、前記の効果をさらに確実に達成することができる。
【００６３】
このような画像定着装置で、ベルトの張力によってエンドレスベルトを加熱定着ロールに押圧してもよいが、エンドレスベルトを無張力状態で支持することも可能である。エンドレスベルトに張力が働かなくなるようにすることにより、その張架手段が不要となり、コストダウンが可能となる。
【００６４】
また、圧力付与部材の押圧面を摩擦係数が小さくなる材料で構成することにより、エンドレスベルトが、圧力付与部材によって停止されずに、加熱定着ロールの回転に追随して走行可能となる。このため、例えば、加熱定着ロールのみが回転してシート上のトナーが加熱定着ロールに擦られて画像が乱れてしまうような不都合を抑制することが可能である。すなわち、圧力付与部材の押圧面の材質を適切に設定することにより、エンドレスベルトの走行速度を加熱定着ロールの回転速度に一致させることが可能となり、上記のような効果をさらに確実にすることができる。
【００６５】
また、加熱定着ロールに押圧する加圧部材によって加熱定着ロールとシートとの間にズレを生じさせることができ、シートは容易に剥離されて、いわゆるセルフストリッピングが可能となる。
【００６６】
さらに、圧力付与部材をベルトニップの上流部に設けると、画像乱れの生じない温度にトナーが加熱されるまでの範囲を圧力付与部材で押圧することにより、シートがベルトニップの圧力付与部材で押圧されている部分を抜け出した後のベルトニップ内の低圧の部分で、シートやトナーからの空気や水蒸気が気泡となっても画像の乱れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明と同様の圧力付与部材を用いた画像定着装置を参考例として概略構成図である。
【図２】 図１に示す画像定着装置のベルトニップ領域に作用する圧力分布を示す図である。
【図３】 本願発明と同様の圧力付与部材を用いた画像定着装置の他の参考例を示す概略構成図である。
【図４】 図３に示す画像定着装置のベルトニップ領域に作用する圧力分布を示す図である。
【図５】 本願発明に係る第１の実施形態である画像定着装置を示す概略構成図である。
【図６】 図５に示す画像定着装置のベルトニップ領域に作用する圧力分布を示す図である。
【図７】 図５に示す画像定着装置におけるベルトニップ内のトナーの温度及び粘性率を示すグラフである。
【図８】 図５に示す画像定着装置において、エンドレスベルトと加熱定着ロールとの間の摩擦係数μ１と、圧力付与部材とエンドレスベルトとの間の摩擦係数μ２との差Δμを変更して、加熱定着ロールの回転にエンドレスベルトが追随して走行することができるか否かを調べた実験結果を示すグラフである。
【図９】 本願発明に係る第２の実施形態である画像定着装置を示す概略構成図である。
【図１０】 図９中に示すＡ−Ａでの矢視図である。
【図１１】 図９に示す画像定着装置のベルトニップ領域に作用する圧力分布を示す図である。
【図１２】 従来の画像定着装置の一例を示す概略構成図である。
【図１３】 従来の画像定着装置のベルトニップ領域に作用する圧力分布を示す図である。
【図１４】 従来の画像定着装置における定着温度と、ベルトニップに生じるスペースとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１，２１，４１，６１ 加熱定着ロール、
５，２５，４５，６５ ハロゲンランプ、
６，２６，４６，６６ モータ、
７，２７，４７，６７ シート、
８，２８，４８，６８ 未定着トナー像、
９，２９，４９，６９ オイル供給装置、
１０，３０，５０，７０ 温度センサ、
１１，３１，５１，７１ 圧力付与部材、
１２，１３，１４，５３，５４ 支持ロール、
１５，３５，５５，７５ エンドレスベルト、
１６，３６，５６，７６ 圧縮コイルスプリング、
３２，７２ 支持部材、
３３，７３ ガイド部材、
３４，７４ 突起部、
５２ 圧力ロール、
５７ コイルスプリング、
７６ 加圧部材、
７７ フランジ
Claims (8)
- 表面付近に弾性体層を有し、回転可能に支持された加熱定着ロールと、
前記加熱定着ロールの外周面に沿って湾曲するように接触し、トナー像を担持した記録シートが前記加熱定着ロールとの間に挟み込まれるニップを形成するエンドレスベルトと、
前記エンドレスベルトの内面側に当接され、前記加熱定着ロールの表面に沿って前記エンドレスベルトを押圧するパッド状の圧力付与部材と、
前記加熱定着ロールの回転方向における前記圧力付与部材の押圧位置より下流側で前記エンドレスベルトを前記加熱定着ロールに押圧し、該加熱定着ロールの前記弾性体層に変形を生じさせる加圧部材とを有し、
前記圧力付与部材による圧接部と前記加圧部材による圧接部との間に、前記エンドレスベルトと前記加熱定着ロールとの接触圧が、前記圧力付与部材の圧接範囲より小さくなる部分が生じないように設定されていることを特徴とする画像定着装置。 - 表面付近に弾性体層を有し、回転可能に支持された加熱定着ロールと、
前記加熱定着ロールの外周面に沿って湾曲するように接触し、トナー像を担持した記録シートが前記加熱定着ロールとの間に挟み込まれるニップを形成するエンドレスベルトと、
前記エンドレスベルトの内面側に当接され、前記加熱定着ロールの表面に沿って前記エンドレスベルトを押圧するパッド状の圧力付与部材と、
前記加熱定着ロールの回転方向における前記圧力付与部材の押圧位置より下流側で前記エンドレスベルトを前記加熱定着ロールに押圧し、該加熱定着ロールの前記弾性体層に変形を生じさせる加圧部材とを有し、
前記圧力付与部材が前記エンドレスベルトの周方向において、前記エンドレスベルトが前記加熱定着ロールと当接された位置から、トナーの粘性がガラス状からゴム状流動を生じる状態へ転移する温度に加熱される位置までに圧接されていることを特徴とする画像定着装置。 - 前記加圧部材が、軸線回りに回転が可能に支持されたロールであり、
前記エンドレスベルトは、前記加圧部材を含む複数のロールに張架されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の画像定着装置。 - 前記エンドレスベルトは、周方向に無張力状態で、前記圧力付与部材及び前記加圧部材によって支持され、該加圧部材の押圧位置から圧力付与部材の押圧位置までの、加熱定着ロールに当接されていない部分は、内周面と対向するように配置されたガイド部材によって案内されるものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の画像定着装置。
- 前記圧力付与部材の押圧面は、耐熱性を有する材料からなり、ほぼ全面に微少な凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の画像定着装置。
- 前記圧力付与部材の押圧面は、耐熱性の繊維からなる布に耐熱性樹脂を含浸させた部材で形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の画像定着装置。
- 前記繊維は、ガラス繊維であり、前記耐熱性樹脂は、フッ素樹脂であることを特徴とする請求項６に記載の画像定着装置。
- 前記加熱定着ロールと前記エンドレスベルトとの間の摩擦係数μ1よりも、前記圧力付与部材と前記エンドレスベルトとの間の摩擦係数μ2 が小さくなっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の画像定着装置。
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