JP4947066B2 - 定着装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、記録シート上に形成された未定着画像を記録シートに熱定着させる定着装置およびこれを備えた画像形成装置に関する。

複写機、プリンタ、ファクシミリ、これらの複合機等の画像形成装置では、通常、画像データに対応したトナー画像を形成して記録シートに転写し、転写されたトナー画像を定着装置によって記録シートに定着させる構成になっている。定着装置としては、一対のベルトを用いて定着ニップを形成するベルト定着方式が実用化されている。ベルト定着方式は熱容量が小さいために、ウォーミングアップを短時間で行うことができ、省電力化が可能である。

しかしながら、ベルト定着方式では、一対のベルト同士を相互に圧接させて定着ニップを形成しているために、定着ニップにおいて十分なニップ圧を得ることが容易でないという問題がある。特許文献１には、面状発熱体を含むベルト支持部材と支持ローラとに周回移動可能に巻き掛けられた加熱ベルトに、外力を受けていない状態で薄肉円筒形状になる無端状の加圧ベルトを、圧縮バネ等の押圧手段によって圧接させた定着装置が開示されている。このように、押圧手段によって加圧ベルトが圧接された加熱ベルトが、固定的に配置されたベルト支持部材に押圧されることによって、ニップ圧を増加させることができる。

特開２００６−５８４１８号公報

特許文献１に開示された定着装置では、固定的に配置されたベルト支持部材に対して加熱ベルトが摺接しつつ周回移動するために、加熱ベルトはベルト支持部材との摩擦力によって円滑に周回移動せず、このために、記録シートが定着ニップを円滑に通過できなくなるおそれがある。また、ベルト支持部材に対して摺接する加熱ベルトを円滑に周回移動させるために大きなトルクが必要になり、このために消費電力が増加し、エネルギー効率が低下するおそれもある。さらには、ベルト支持部材との摺接によって加熱ベルトが摩耗するために、加熱ベルトを長期にわたって安定的に使用することができなくなるおそれもある。

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、相互に対向する一対のベルトを用いたベルト定着方式において、大きなトルクを必要とせず、また、ベルトの摩耗を抑制して、ベルト間に形成されたニップ部の全域において高いニップ圧を安定的に確保することができる定着装置およびこれを備える画像形成装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に係る定着装置は、一対の第１ローラに周回移動可能に巻き掛けられた第１ベルトと、一対の第２ローラに周回移動可能に巻き掛けられた第２ベルトとが相互に圧接することによって形成された定着ニップを記録シートが通過する間に、該記録シート上に形成された未定着画像を加熱および加圧することによって熱定着させる定着装置であって、前記第１ベルトは、前記第２ベルトと離間状態にしたとき、前記一対の第１ローラの間における相互に対向するそれぞれのベルト部分が外側に突出した湾曲状態で走行可能な剛性を有し、前記第２ベルトは、前記一対の第２ローラの間の一方の走行部分が、前記第１ベルトの外側に突出した一方の走行部分と相互に圧接することによって、当該第１ベルトの一方の走行部分に沿って凹状に湾曲した状態になり、前記第２ベルトに圧接された前記第１ベルトの走行部分においてニップ圧が増加するように、当該第１ベルトを変形させる第１ベルト変形手段が設けられていることを特徴とする。

また、本発明に係る画像形成装置は、記録シート上に形成された未定着画像を定着部により熱定着する画像形成装置であって、前記定着部として、前記定着装置を備えることを特徴とする。

本発明の定着装置では、第１ベルトの剛性によって、第１ベルトのベルト部分に圧接された第２ベルトのベルト部分が凹状に湾曲した状態で走行しており、第１ベルトおよび第２ベルトにおけるそれぞれの湾曲状態になったベルト部分同士が相互に圧接されて定着ニップが形成されているために、定着ニップを形成するための加圧パッド等の特別な部材が不要になり、定着ニップにおいて高いニップ圧を長期にわたって安定的に確保することができる。しかも、第１ベルト変形手段によって第１ベルトを変形させることにより、第１ベルトと第２ベルトとの圧接部分の全域においてニップ圧を増加させることができる。これにより、記録シートに定着されたトナー画像に光沢を付与することができ、トナー画像の画質を向上させることができる。しかも、第１ベルトに対して摺接するような部材を設ける必要がないために、第１ベルトを周回移動させるために大きなトルクを必要とせず、さらには、第１ベルトが摩耗することを抑制できることから、定着装置を長期にわたって安定的に使用することができる。

好ましくは、前記第１ベルト変形手段は、前記第２ベルトに対して遠方側に位置する前記第１ベルトの他方の走行部分を外側から押圧する押圧ローラであることを特徴とする。
好ましくは、前記第１ベルト変形手段は、前記一対の第１ローラにおける記録シートの通過方向の上流側に配置された第１上流側ローラの周速を、下流側に配置された第１下流側ローラの周速よりも速くするローラ周速変更手段であることを特徴とする。

好ましくは、前記一対の第１ローラのそれぞれと、前記一対の第２ローラのそれぞれとが、前記第１ベルトおよび第２ベルトを介して相互に押圧されることによって、それぞれの押圧部分に、当該第１ベルトおよび第２ベルトが相互に圧接された上流側ニップ部および下流側ニップ部が形成されており、前記上流側ニップ部のニップ圧が前記下流側ニップ部のニップ圧よりも低くなっていることを特徴とする。

好ましくは、前記記録シートの未定着画像が、前記第１ベルトの周回移動域の内部であって前記一対の第１ローラの間に設けられた加熱手段によって加熱されることを特徴とする。
好ましくは、前記加熱手段は、ヒータランプまたは電熱線ヒータであることを特徴とする。

好ましくは、前記記録シートの未定着画像が、電磁誘導加熱方式の加熱手段によって加熱されることを特徴とする。

本発明の実施形態に係る定着装置が定着部として搭載されたプリンタの全体の概略構成を示す模式図である。 そのプリンタに定着部として備えられた本発明の実施形態に係る定着装置の構成を説明するための模式図である。 その定着装置の構成を説明するために、第１ベルトに対して第２ベルトおよび押圧ローラを離間させた状態の模式図である。 その定着装置における第１ベルトと第２ベルトとの間の中間ニップ部が高圧力になることを説明するための模式図である。 その定着装置における所定の条件での実験結果によって得られた第１ベルトと第２ベルトとの間のニップ部の圧力分布を示すグラフである。 前記実験の条件を示す表である。 本発明の他の実施形態に係る定着装置の構成を説明するための模式図である。 その定着装置における所定の条件での実験結果によって得られた第１ベルトと第２ベルトとの間のニップ部の圧力分布を示すグラフである。 本発明の定着装置の他の例を示す模式図である。

図１は、本発明の実施形態に係る定着装置を定着部として使用したタンデム型カラーデジタルプリンタ（以下、単に「プリンタ」という。）の構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態におけるプリンタ１は、トナー画像を形成する画像プロセス部３０と、トナー画像が転写される記録シートＳを画像プロセス部３０に搬送するシート搬送部４０と、記録シートＳ上に転写されたトナー画像を記録シートＳに定着させる定着部を構成する定着装置５０とを備えている。プリンタ１は、ネットワーク（例えば社内ＬＡＮ）等に接続された端末装置からプリントの実行指示（プリントジョブ）を受け付けると、その指示に従って、記録シートＳ上にトナー画像を形成する。

画像プロセス部３０は、矢印Ａで示す方向に周回移動する中間転写ベルト３６と、中間転写ベルト３６の下方において、中間転写ベルト３６の周回移動方向に沿ってそれぞれが上流側から順番に配置された画像形成ユニット３９Ｙ、３９Ｍ、３９Ｃ、３９Ｋと、各画像形成ユニット３９Ｙ、３９Ｍ、３９Ｃ、３９Ｋにレーザ光Ｌをそれぞれ照射する露光装置２１とを備えている。中間転写ベルト３６は、画像形成ユニット３９Ｙに近接して配置された従動ローラ３７と、画像形成ユニット３９Ｋに近接して配置された駆動ローラ３８とに巻き掛けられており、駆動ローラ３８が図示しないモータによって回転駆動されることにより、矢印Ａで示す方向に周回移動する。中間転写ベルト３６は半導電性を有している。

中間転写ベルト３６の移動方向上流側に配置された画像形成ユニット３９Ｙは、感光体ドラム３１Ｙを備えており、公知の帯電、露光、現像の各工程を順番に経て感光体ドラム３１Ｙ上にイエロー（Ｙ）の色のトナー画像を形成する。このために、画像形成ユニット３９Ｙには、感光体ドラム３１Ｙの外周面を帯電するローラ式の帯電器３２Ｙと、帯電された感光体ドラム３１Ｙの外周面に露光装置２１から照射されるレーザ光Ｌによって形成された静電潜像をＹ色のトナーによって現像する現像器３３Ｙと、感光体ドラム３１Ｙの外周面に形成されたトナー画像を中間転写ベルト３６に転写する１次転写ローラ３４Ｙと、トナー画像が転写された後に感光体ドラム３１Ｙの表面を清掃するクリーナ３５Ｙとが感光体ドラム３１Ｙの回転方向に沿って順番に設けられている。

他の画像形成ユニット３９Ｍ、３９Ｃ、３９Ｋも、画像形成ユニット３９Ｙと同じ構成になっており、感光体ドラム表面を帯電する帯電器と、露光装置２１から照射されるレーザ光Ｌにより形成された静電潜像をトナー現像する現像器と、トナー画像を中間転写ベルト３６に転写する１次転写ローラと、感光体ドラム表面を清掃するクリーナとがそれぞれ設けられており、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の色のそれぞれのトナーによってトナー画像を形成して中間転写ベルト３６に転写する。

各画像形成ユニット３９Ｙ、３９Ｍ、３９Ｃ、３９Ｋに設けられた帯電器としては、ローラ状の帯電部材を用いているが、このような構成に限らず、コロナ放電方式の帯電チャージャ、ブレード状の帯電部材、ブラシ状の帯電部材等も使用することができる。露光装置２１には、Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋの各色の画像データに対応した駆動信号によって駆動されるレーザダイオード等の発光素子がそれぞれ設けられており、各発光素子から各画像形成ユニット３９Ｙ、３９Ｍ、３９Ｃ、３９Ｋの感光体ドラム（３１Ｙ等）にレーザ光Ｌをそれぞれ照射する。

本実施形態のプリンタ１では、１色（例えばＫ色）のトナーを用いてモノクロ画像を形成するモノクロモードと、Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋの４色のトナーを用いてカラー画像を形成するカラーモードとに切り替え可能になっている。カラーモードによる画像形成動作の場合には、各画像形成ユニット３９Ｙ、３９Ｍ、３９Ｃ、３９Ｋにおいて、所定の周速度で回転駆動されている感光体ドラム（３１Ｙ等）の外周面に形成されたＹ、Ｍ、Ｃ、Ｋの各色のトナー画像が、各画像形成ユニット３９Ｙ、３９Ｍ、３９Ｃ、３９Ｋの１次転写ローラ（３４Ｙ等）によって、中間転写ベルト３６における同一領域上にそれぞれ重ねて転写される。モノクロモードによる画像形成動作の場合には、選択された１つの画像形成ユニットにて形成されたトナー画像が中間転写ベルト３６における所定領域上に転写される。

なお、中間転写ベルト３６上に転写されることなく、感光体ドラム（３１Ｙ等）の外周面に残留しているトナーは、感光体ドラム（３１Ｙ等）の回転によってクリーナ（３５Ｙ等）との接触部に達すると、クリーナ（３５Ｙ等）によって感光体ドラムの外周面から除去される。クリーナ（３５Ｙ等）としては、板状のブレード、固定ブラシ、回転ブラシ、ローラ、またはそれら複数の部材を組み合わせたものを使用することができる。また、このようなクリーナを設けることなく、感光体ドラム（３１Ｙ等）の外周面に残留するトナーを現像器（３３Ｙ等）によって回収するクリーナレス方式を採用することもできる。

中間転写ベルト３６の上方には、各画像形成ユニット３９Ｙ、３９Ｍ、３９Ｃ、３９Ｋの現像器（３３Ｙ等）に供給されるＹ、Ｍ、Ｃ、Ｋの各色のトナーが収容されたホッパー２２Ｙ、２２Ｍ、２２Ｃ、２２Ｋがそれぞれ設けられており、各ホッパー２２Ｙ、２２Ｍ、２２Ｃ、２２Ｋに収容された各色のトナーが各画像形成ユニット３９Ｙ、３９Ｍ、３９Ｃ、３９Ｋの現像器（３３Ｙ等）に補給される。

記録シートＳを搬送するシート搬送部４０は、露光装置２１の下側に着脱可能に設けられた給紙カセット４１と、給紙カセット４１から繰り出される記録シートＳを、中間転写ベルト３６の側方およびその上方の定着装置５０に向けて搬送するシート搬送経路４２とを備えている。給紙カセット４１内には、記録シートＳとして記録用紙等が積載状態で収容されており、最上部の１枚の記録シートＳが給紙ローラ４３の回転によってシート搬送経路４２内に繰り出される。

シート搬送経路４２には、中間転写ベルト３６を周回移動させる駆動ローラ３８に中間転写ベルト３６を介して対向する２次転写ローラ４５が設けられていて、駆動ローラ３８の周面に沿った中間転写ベルト３６の周回移動域と２次転写ローラ４５との間に転写ニップが形成されており、この転写ニップが記録シートＳ上にトナー画像を転写する２次転写部４６になっている。中間転写ベルト３６上に転写されたトナー画像は、２次転写ローラ４５によって、シート搬送経路４２内を上方に向って搬送される記録シートＳに２次転写される。

シート搬送経路４２内における２次転写部４６の下方には、給紙カセット４１から繰り出された記録シートＳを２次転写部４６に所定のタイミングで搬送するレジストローラ対４４が設けられている。レジストローラ対４４は、記録シートＳを２次転写部４６に搬送するタイミングを、中間転写ベルト３６上に転写されたトナー像が、２次転写部４６に搬送されるタイミングに一致するように制御する。レジストローラ対４４によって所定のタイミングで２次転写部４６に搬送される記録シートＳは、２次転写部４６において中間転写ベルト３６上に形成されたトナー画像が転写されて、２次転写部４６の上方に配置された定着装置５０へと搬送される。なお、２次転写後の中間転写ベルト３６は、中間転写ベルト３６を介して従動ローラ３７に対向配置されたクリーニングブレード２３によって清掃される。

定着装置５０は、相互に圧接されることによって定着ニップを形成する第１ベルト５１および第２ベルト５２と、第１ベルト５１の外周面を押圧する押圧ローラ５９と、第１ベルト５１の周回移動域の内部に配置されたヒータランプ５７とを備えており、下方の２次転写部４６において記録シートＳに２次転写されたトナー画像は、当該記録シートＳが上方に向って搬送されて第１ベルト５１および第２ベルト５２における相互に圧接された定着ニップを通過する間に加熱及び加圧されることによって当該記録シートＳに熱定着される。定着装置５０を通過した記録シートＳは、排紙ローラ６１によって、ホッパー２２Ｙ、２２Ｍ、２２Ｃ、２２Ｋの上方に設けられた排紙トレイ６２上へ排出される。

図２は、定着装置５０の構成を説明するための模式図、図３は、第１ベルト５１に対して第２ベルト５２および押圧ローラ５９を、それぞれ離間させた状態で示す模式図である。第１ベルト５１は、自然状態で横断面円形の円筒状を維持する所定の剛性を有する無端ベルトであり、図３に示すように、記録シートＳの搬送方向上流側（下側）に配置された第１上流側ローラ５３と、この第１上流側ローラ５３に平行な状態で記録シートＳの搬送方向下流側（上側）に配置された第１下流側ローラ５４とに、所定の引っ張り力（ベルトテンション）が加えられて巻き掛けられることによって、略楕円形状を維持して周回移動可能な剛性を有している。第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４は、相互に等しい半径ｒをそれぞれ有しており、同じＸ軸座標位置（水平方向位置）になるようにＹ軸方向（垂直方向）に並んだ状態で、所定の軸間距離Ｄをあけて配置されている。

第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４に、ベルト自体の剛性によるテンションで巻き掛けられた第１ベルト５１は、第２ベルト５２および押圧ローラ５９のそれぞれと離間した状態では、第１上流側ローラ５３と第１下流側ローラ５４との間における相互に対向するベルト走行部分は、ベルトテンションが加えられる前の円筒状態に戻ろうとする力（復元力）により、第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４の共通接線Ｌ１よりもそれぞれ同じ突出量（撓み量）δで外側に突出した湾曲状態になる。第１ベルト５１は、記録シートＳのトナー画像が転写された面に対向するように配置されており、例えば、第１下流側ローラ５４が駆動モータによって回転駆動されることによって、図３に矢印Ｍで示す方向に周回移動する。

第１ベルト５１の周回移動域の内部における第１上流側ローラ５３と第１下流側ローラ５４との中間位置には、直線状に形成された円柱状のヒータランプ５７が、第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４に平行な状態で配置されている。ヒータランプ５７としては、ハロゲンヒータ、カーボンヒータ、キセノンランプヒータ等を用いることができる。また、このようなヒータランプ５７に限らず、直線状に形成された電熱線ヒータも用いることができる。

第２ベルト５２は、第１ベルト５１よりも低い剛性であって第１ベルト５１が押し付けられることによって撓む剛性（可撓性）を有する無端ベルトであり、記録シートＳの搬送方向上流側（下側）に配置された第２上流側ローラ５５と、この第２上流側ローラ５５に平行な状態で記録シートＳの搬送方向下流側（上側）に配置された第２下流側ローラ５６とに、例えば第２上流側ローラ５５によって所定の引っ張り力によってベルトテンションが加えられた状態で巻き掛けられて、第１ベルト５１とは離間した状態では、第２上流側ローラ５５と第２下流側ローラ５６との間の相互に対向するベルト走行部分同士が平行な状態で周回移動するようになっている。第２上流側ローラ５５および第２下流側ローラ５６も、第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４の半径に等しい半径ｒをそれぞれ有しており、同じＸ座標位置になるようにＹ軸方向に並んだ状態で、第１上流側ローラ５３と第１下流側ローラ５４との軸間距離Ｄと同じ軸間距離Ｄをあけて配置されている。第２上流側ローラ５５は、第２ベルト５２に、記録シートＳの搬送方向に沿ったベルトテンション（引っ張り力）Ｆが加わるように、第２上流側ローラ５５がテンションばね（図示せず）によって下方に付勢されている。

第２上流側ローラ５５は、第１上流側ローラ５３と同じＹ座標位置になるようにＸ軸方向（水平方向）に並んで配置されて、第１上流側ローラ５３に、所定のローラ荷重Ｐ１ので、第２ベルト５２および第１ベルト５１を介して押し付けられている。第２上流側ローラ５５が第１上流側ローラ５３に押し付けられることによって、第１ベルト５１と第２ベルト５２との間に、Ｘ軸方向に沿った上流側ニップ部が形成されている。第２下流側ローラ５６も、第１下流側ローラ５４と同じＹ座標位置になるようにＸ軸方向（水平方向）に並んで配置されて、第１下流側ローラ５４に、所定のローラ荷重Ｐ２で、第２ベルト５２および第１ベルト５１を介して押し付けられている。第２下流側ローラ５６が第１下流側ローラ５４に押し付けられることによって、第１ベルト５１と第２ベルト５２との間に、Ｘ軸方向に沿った所定のニップ圧の下流側ニップ部が形成される。

このような構成の第１ベルト５１および第２ベルト５２は、図２に示すように、外側に突出した湾曲状態で走行する第１ベルト５１のベルト部分が、このベルト部分に対向する第２ベルト５２のベルト部分に圧接され、第１ベルト５１よりも低い剛性の第２ベルト５２のベルト部分が、第１ベルト５１のベルト部分に沿って凹状に湾曲した状態とされて、例えば、第１下流側ローラ５４が回転駆動されることによって、第１ベルト５１が周回移動されると、第２ベルト５２は、第１ベルト５１に圧接されていることによって、第１ベルト５１に追従して、図２に矢印Ｎで示す方向に走行する。

この場合、第２ベルト５２が第１ベルト５１よりも低い剛性であって可撓性を有することから、図４に示すように、第１ベルト５１の外側に突出する湾曲状態のベルト部分が第２ベルト５２のベルト部分を押圧荷重Ｗで押圧すると、第２ベルト５２のベルト走行部分が、第２ベルト５２自体の復元力（反力）Ｗによって、第１ベルト５１の湾曲形状に沿うように凹状に湾曲し、その湾曲した第２ベルト５２のベルト走行部分は、第１ベルト５１のベルト走行部分を押圧する。このような状態は、第１ベルト５１および第２ベルトが周回移動する場合にも維持される。これにより、上流側ニップ部から下流側ニップ部までの全域において、第１ベルト５１および第２ベルト５２の外周面同士が相互に圧接された中間ニップ部が形成されることになる。

このような状態で、図２に示すように、第２ベルト５２に対して遠方側の第１ベルト５１の走行部分に押圧ローラ５９が圧接されて、圧接されたベルト走行部分が凹状に窪んだ状態になるように押圧されている。これにより、剛性を有する第１ベルト５１は、第２ベルトに圧接された中間ニップ部を形成するベルト走行部分が外側への突出量がさらに大きくなるように変形して、中間ニップ部における第２ベルト５２のベルト走行部分を強く押圧する。その結果、中間ニップ部において、第２ベルト５２のベルト走行部分は、押圧ローラ５９が圧接されていない場合よりもさらに大きく凹状に湾曲した状態になり、曲げ応力によって、中間ニップ部の全域にわたって、第１ベルト５１の外周面に対して強く圧接された状態になる。従って、中間ニップ部の全域において、高いニップ圧が得られる。

第１ベルト５１は、例えば、弾性率（ヤング率）の大きいＮｉ（ニッケル）、鉄、ＳＵＳ（ステンレス）、Ｗ（タングステン）、ＰＩ（ポリイミド）等の材料によって所定の厚さに構成された基材を備えており、横断面が所定の外径を有する円形の円筒状に無端化されている。基材の厚さは、例えば、５０〜２００μｍとされ、基材の表面（外周面）に、ＰＦＡ、ＰＴＦＡ、ＥＴＦＡ等のフッ素系の樹脂、シリコン系のゴム等の弾性層と、弾性層の表面に、ＰＦＡチューブ、ＰＦＡコート等によって構成された離型層とが設けられている。弾性層の厚みは、例えば２００μｍとされ、離型層の厚みは例えば３０μｍとされる。

第２ベルト５２は、第１ベルト５１が圧接されるベルト部分が凹状に湾曲するように、第１ベルト５１よりも低い所定の剛性を有しており、例えば、ポリイミド樹脂等の耐熱性を有する耐熱層と、この耐熱層の表面（外周面）に積層された離型層との積層構造を有している。離型層は、トナーとの離型性に優れた材料によって構成されており、例えば、フッ素樹脂が使用される。耐熱層の厚みは、例えば３０〜１００μｍとされ、離型層の厚みは例えば３０μｍ程度とされる。なお、第２ベルト５２としては、このような２層構造に限定されるものではなく、耐熱層と離型層との間に1または複数の層が設けられていてもよい。

このような構成の定着装置５０では、２次転写部４６にてトナー画像が転写された記録シートＳが搬送されると、記録シートＳは、第１上流側ローラ５３と第２上流側ローラ５５とによって所定のニップ圧Ｐ１になった第１ベルト５１と第２ベルト５２との間の上流側ニップ部に進入し、押圧ローラ５９によって押圧されることにより、大きく外側に突出する湾曲状態になった第１ベルト５１のベルト走行部分と、凹状に湾曲した第２ベルト５２のベルト走行部分との間において強く圧接された状態の中間ニップ部を通過した後に、第１下流側ローラ５４と第２下流側ローラ５６とによって所定のニップ圧Ｐ２になった第１ベルト５１と第２ベルト５２との間の下流側ニップ部を通って排出される。記録シートＳ上のトナー像は、上流側ニップ部、中間ニップ部、下流側ニップ部のそれぞれを通過する間に、ヒータランプ５７によって加熱されて溶融状態とされ、記録シートＳに加圧されることによって熱定着される。

この場合、中間ニップ部では、押圧ローラ５９によって第１ベルト５１が押圧されていることにより、その全域にわたって、第１ベルト５１と第２ベルト５２とが強い圧力によって相互に圧接された状態になって高いニップ圧が確保されているために、記録シートＳが中間ニップ部の全域において、記録シートＳ上のトナー画像が確実に加圧されて熱定着される。記録シートＳ上のトナー画像は、中間ニップ部を通過する間に、トナーが溶融されるとともに、中間ニップ部の全域にわたって強い圧力にて記録シートＳに押し付けられることにより、トナー画像が記録シートＳに対して画像ずれを起こすことなく、しかも、トナー画像が全体にわたって平滑化されることにより光沢が付与された高画質状態とされる。さらに、中間ニップ部の全域において高いニップ圧が得られることから、記録シートＳが振動することも確実に抑制することができ、下流側ニップ部を通過する際に記録シートＳにしわが発生することも確実に抑制される。

なお、上流側ニップ部のニップ圧Ｐ１と下流側ニップ部のニップ圧Ｐ２とは、相互に等しくなっていてもよいが、下流側ニップ部のニップ圧Ｐ２を上流側ニップ部のニップ圧Ｐ１よりも大きくなるようにすることが好ましい。このように、下流側ニップ部のニップ圧を上流側ニップ部のニップ圧よりも大きくすることによって、中間ニップ部の全域において加熱溶融されたトナーが、下流側ニップ部において高いニップ圧によって加圧されるために、トナー画像がより一層平坦化される。これにより、トナー画像に一層光沢が付与され、画質が一層向上する。

図２に示す本実施形態の定着装置５０における定着ニップのニップ圧について、以下の条件で測定した。第１ベルト５１は、厚さ１２０μｍ、幅３５０ｍｍ、直径３４ｍｍの円筒状ニッケル（Ｎｉ）ベルトを基材として、表面に弾性層および離型層を積層して構成されており、軸間距離２５.８ｍｍとなるように固定状態で配置された第１上流側ローラ５３と第１下流側ローラ５４とに巻き掛けられることによって、所定の楕円形状を維持して周回移動させた。第２ベルト５２としては、従来の定着装置において一般的に使用されているものと同様に、ポリイミド樹脂製の耐熱層を有するものを使用しており、第２上流側ローラ５５と第２下流側ローラ５６とに巻き掛けて、２０Ｎのベルトテンションになるように、第２上流側ローラ５５にテンションを加えている。第１上流側ローラ５３と第２上流側ローラ５５とのローラ荷重（上流側ニップ部のニップ圧Ｐ１）を５０Ｎ、第１下流側ローラ５４と第２下流側ローラ５６とのローラ荷重（下流側ニップ部のニップ圧Ｐ２）を３００Ｎとし、押圧ローラ５９による押圧ローラ荷重を１５０Ｎとし、第１下流側ローラ５４を一定の回転速度になるように駆動して第１ベルト５１を周回移動させた。この場合、第１ベルト５１が周回移動することによって、第１上流側ローラ５３が回転されることから、第１上流側ローラ５３の回転速度が、第１下流側ローラ５４の回転速度に等しくなっている。また、第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４は、同一の半径ｒを有していることから、それぞれの周速度が等しくなっており、第１下流側ローラ５４の周速度に対する第１上流側ローラ５３の周速度の割合は１００％になっている。定着ニップの全域におけるニップ圧（単位面積当たりの圧力）を圧力センサ（ニッタ株式会社製、商品名「タクタイルセンサ」）によって測定したところ、図５に実線で示すように、中間ニップの全域にわたって比較的高いニップ圧が得られた。この場合の中間ニップ部における最小のニップ圧（単位面積当たり圧力）は９ｋＰａと高くなっていた。このような条件の定着装置５０によって記録シートＳにトナー画像を定着させたところ、記録シートＳに定着されたトナー画像は画像ずれが生じることがなく、しかも、光沢が付与された高画質になっていた。

比較のために、押圧ローラ５９によって第１ベルト５１を押圧しないこと、および、上流側ニップ部のニップ圧と下流側ニップ部のニップ圧とを等しくしたこと以外は同様の条件で、第１ベルト５１を周回移動させて定着ニップの全域におけるニップ圧を測定したところ、図５に破線で示すように、中間ニップ部では、全域にわたって、本実施形態におけるニップ圧よりも低いニップ圧になっていた。この場合の中間ニップ部における最少のニップ圧（単位面積当たり圧力）は２ｋＰａであり、画像形成条件によっては、画像ずれが生じる場合があった。それぞれの結果を図６の表に示す。

以上のように、本実施形態における定着装置５０では、定着ニップにおける中間ニップのニップ圧を中間ニップの全域において高めることができ、定着ニップにおいて画像ずれが生じることを確実に防止することができるとともに、光沢を有する高画質なトナー画像を形成することができる。
なお、上記の実施形態では、第１下流側ローラ５４を回転駆動することによって第１ベルト５１を周回移動させて、その周回移動に追従させて第２ベルト５２を周回移動させる構成としたが、このような構成に限らず、第２下流側ローラ５６を駆動モータによって回転させることによって第２ベルト５２を周回移動させて、この第２ベルト５２の周回移動に追従させて第１ベルト５１を周回移動させるようにしてもよい。あるいは、第１上流側ローラ５３または第２上流側ローラ５５を回転駆動させる構成、第１上流側ローラ５３と第１下流側ローラ５４、または、第２上流側ローラ５５と第２下流側ローラ５６を、それぞれ回転駆動させる構成、４つのローラ５３〜５６の全てを回転駆動させる構成としてもよい。

図７は、本発明の他の実施形態における定着装置５０の概略構成を示す模式図である。この定着装置５０では、第１ベルト５１が巻き掛けられた第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４のそれぞれが、独立した別々の第１モータ６４および第２モータ６５によって回転駆動される構成になっており、第１モータ６４および第２モータ６５の回転速度が、制御部６６によって制御されるようになっている。制御部６６は、第１上流側ローラ５３の周速度が、第１下流側ローラ５４の周速よりも高速になるように、第１モータ６４および第２モータ６５の回転速度を制御するローラ周速変更手段として機能する。その他の構成は、図２に示す定着装置５０と押圧ローラ５９によって第１ベルト５１が押圧されないこと以外、同様の構成になっている。

このような構成の定着装置５０では、第１上流側ローラ５３の周速が第１下流側ローラ５４の周速よりも高速になっていることによって、第１ベルト５１における中間ニップ部を通過するベルト走行部分は、上流側ニップ部近傍における搬送速度が上流側ニップ部近傍における搬送速度よりも増加し、外側にさらに突出するように大きな湾曲状態に変形される。これによって、中間ニップ部の全域においてニップ圧を高めることができる。

押圧ローラ５９を用いない本実施形態２の定着装置５０において、第１下流側ローラ５４の周速度に対する第１上流側ローラ５３の周速度の割合が１０５％になるように、第１上流側ローラ５３の回転速度を第１下流側ローラ５４の回転速度よりも高速にしたこと以外は、前記実施形態１における定着条件と同様の条件として、定着ニップの全域におけるニップ圧を圧力センサ（ニッタ株式会社製、商品名「タクタイルセンサ」）によって測定したところ、図８に実線で示すように、中間ニップの全域にわたって比較的高いニップ圧が得られた。この場合の中間ニップ部における最小のニップ圧（単位面積当たり圧力）は９ｋＰａであった。このような条件の定着装置５０によって記録シートＳ上の未定着トナー画像を熱定着させたところ、記録シートＳに定着されたトナー画像は画像ずれが生じることがなく、しかも、光沢が付与された高画質のトナー画像とすることができた。なお、図８における破線は、図５において破線で示した比較例におけるニップ圧である。結果を図６の表に併記する。

本実施形態における定着装置５０でも、定着ニップにおける中間ニップのニップ圧を中間ニップの全域において高めることができ、定着ニップにおいて画像ずれが生じることを確実に防止することができるとともに、光沢を有する高画質なトナー画像を得ることができる。
なお、本発明の定着装置は、上記の各実施形態に限るものではない。例えば、第１上流側ローラ５３と第１下流側ローラ５４との間にヒータランプ５７を設ける構成に限らず、ヒータランプ５７とともに別の加熱手段を設けるようにしてもよい。例えば、第１上流側ローラ５３および第２上流側ローラ５５が、それぞれ中空の芯金を有する構成において、それぞれの芯金内にヒータランプを、ヒータランプ５７とともに配置してもよい。あるいは、第１上流側ローラ５３および第２上流側ローラ５５のいずれか一方の芯金内にのみヒータランプを配置する構成としてもよい。さらには、ヒータランプ５７とともに、第２上流側ローラ５５と第２下流側ローラ５６との間にもヒータランプを設ける構成としてもよい。いずれの構成においても、定着ニップ部の加熱効率を向上させることができるために、ウォーミングアップ時間をより一層短縮することができる。また、ヒータランプに限らず、直線状の電熱線ヒータも用いることができる。

加熱手段としては、ヒータランプ５７、電熱線ヒータ等に限るものではなく、例えば、第１ベルト５１に誘導発熱体を設けるとともに、図９に示すように、第１ベルト５１における第２ベルト５２の遠方側に位置するベルト部分に対向して、一対の励磁コイル６５を周回移動方向に並べて設けた電磁誘導加熱方式の加熱手段によって第１ベルト５１を加熱してもよい。

さらには、上記実施の形態では、記録シートＳにおけるトナー画像が定着された面に対向させて第１ベルト５１を配置する構成であったが、第２ベルト５２を記録シートＳにおけるトナー画像が定着された面に対向させて配置するようにしてもよい。また、第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４のそれぞれと第２上流側ローラ５５および第２下流側ローラ５５のそれぞれとが同一の半径を有する構成であったが、このような構成に限らず、それぞれのローラの半径は任意に設定することができる。さらに、下流側ニップ部のニップ圧を上流側ニップ部のニップ圧よりも高く設定しているが、それぞれのニップ圧を等しくしてもよい。

また、本発明に係る定着装置が適用される画像形成装置は、タンデム型カラーデジタルプリンタに限るものではなく、例えば、回転軸の周囲に４つの現像装置を配置し、これら４つの現像装置を、順次、静電潜像担持体に対向させてフルカラー画像を形成する、いわゆる４サイクル方式の画像形成装置、１つの現像装置しか備えていないモノクロ画像形成装置等であってもよい。また、本発明の定着装置は、プリンタに限らず、複写機、ＦＡＸ、ＭＦＰ（Multiple Function Peripheral）等にも適用できる。

本発明は、一対のベルトを用いて未定着画像を加熱および加圧して熱定着させる定着装置において、ベルト内周面に摺接する部材を設けることなく、ベルト同士が相互に圧接された定着ニップの全域において高いニップ圧を長期にわたって安定的に確保することができる。

３０ 画像プロセス部
３６ 中間転写ベルト
３９Ｙ、３９Ｍ、３９Ｃ、３９Ｋ 画像形成ユニット
４０ シート搬送部
５０ 定着装置
５１ 第１ベルト
５２ 第２ベルト
５３ 第１上流側ローラ
５４ 第１下流側ローラ
５５ 第２上流側ローラ
５６ 第２下流側ローラ
５７ ヒータランプ
５９ 押圧ローラ
６５ 励磁コイル

Claims (8)

1. 一対の第１ローラに周回移動可能に巻き掛けられた第１ベルトと、一対の第２ローラに周回移動可能に巻き掛けられた第２ベルトとが相互に圧接することによって形成された定着ニップを記録シートが通過する間に、該記録シート上に形成された未定着画像を加熱および加圧することによって熱定着させる定着装置であって、
   前記第１ベルトは、前記第２ベルトと離間状態にしたとき、前記一対の第１ローラの間における相互に対向するそれぞれのベルト部分が外側に突出した湾曲状態で走行可能な剛性を有し、
   前記第２ベルトは、前記一対の第２ローラの間の一方の走行部分が、前記第１ベルトの外側に突出した一方の走行部分と相互に圧接することによって、当該第１ベルトの一方の走行部分に沿って凹状に湾曲した状態になり、
   前記第２ベルトに圧接された前記第１ベルトの走行部分においてニップ圧が増加するように、当該第１ベルトを変形させる第１ベルト変形手段が設けられていることを特徴とする定着装置。
2. 前記第１ベルト変形手段は、前記第２ベルトに対して遠方側に位置する前記第１ベルトの他方の走行部分を外側から押圧する押圧ローラであ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ベルト変形手段は、前記一対の第１ローラにおける記録シートの通過方向の上流側に配置された第１上流側ローラの周速を、下流側に配置された第１下流側ローラの周速よりも速くするローラ周速変更手段であることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
4. 前記一対の第１ローラのそれぞれと、前記一対の第２ローラのそれぞれとが、前記第１ベルトおよび第２ベルトを介して相互に押圧されることによって、それぞれの押圧部分に、当該第１ベルトおよび第２ベルトが相互に圧接された上流側ニップ部および下流側ニップ部が形成されており、
   前記上流側ニップ部のニップ圧が前記下流側ニップ部のニップ圧よりも低くなっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の定着装置。
5. 前記記録シートの未定着画像が、前記第１ベルトの周回移動域の内部であって前記一対の第１ローラの間に設けられた加熱手段によって加熱されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の定着装置。
6. 前記加熱手段は、ヒータランプまたは電熱線ヒータであることを特徴とする請求項５に記載の定着装置。
7. 前記記録シートの未定着画像が、電磁誘導加熱方式の加熱手段によって加熱されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の定着装置。
8. 記録シート上に形成された未定着画像を定着部により熱定着する画像形成装置であって、
   前記定着部として、請求項１〜７のいずれか一項に記載の定着装置を備えることを特徴とする画像形成装置。

Images