JP7039973B2 - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、用紙にトナー像を定着させる定着装置及びこの定着装置を備えた画像形成装置に関する。

レーザープリンター等の画像形成装置は、用紙にトナー像を定着する定着装置を備えている。定着装置は、定着ローラーに巻き付けられる定着ベルトと、定着ベルトを介して定着ローラーに押し付けられて定着ベルトとの間に加圧領域を形成する加圧ローラーと、を備えており、加圧領域に用紙が通過する間に、トナー像が用紙に定着される。

ところで、画像形成装置においては、厚紙やラフ紙の通紙時に、定着性を確保させるために、搬送速度を基準速度よりも低下させる場合がある。一方、普通紙の通紙時にも、画像の解像度を上げたり騒音を低減したりすることを目的として、搬送速度を基準速度よりも低下させる場合がある。この場合は、前者と異なり、基準の搬送速度で十分な定着性が確保されているので、定着条件を変更する必要が生じる。具体的には、定着温度を下げたり、定着圧を下げて搬送方向における加圧領域の長さを短くし加圧領域を用紙が通過する時間（通過時間）を短くしたりする。

ただし、定着温度を下げる場合は、温度が低下するまでの待ち時間が発生して、生産性を低下させるという問題がある。また、基準の搬送時間の場合に比べて加圧領域を通過する時間が長くなるので、基準の搬送速度に適した定着性が確保されている条件では光沢度が高くなる傾向があり、画質が安定しないという問題も想定される。

また、定着圧を下げて加圧領域の長さを短くして通過時間を短くした場合は、以下の問題が想定される。図４のグラフを参照して説明する。図４は、定着圧と、加圧領域の長さ及び加圧領域の線圧との関係を示すグラフである。グラフの横軸は定着圧（Ｎ）、左側の縦軸は加圧領域の長さ（ｍｍ）、右側の縦軸は加圧領域の線圧（Ｎ／ｍｍ）を示す。線圧は、定着圧／幅で示される。

基準の搬送速度において、定着圧が２００Ｎ、加圧領域の長さが８ｍｍとすると、線圧は２５Ｎ／ｍｍとなる。搬送速度を半分に低下させた場合、通過時間を同じにするためには、加圧領域の長さを４ｍｍとする必要がある。すると、定着圧は５０Ｎとなり、線圧は基準の搬送速度の半分の１２．５Ｎ／ｍｍとなる。このように、基準の搬送速度における通過時間と同じになるように定着圧を下げた場合、線圧も低下してしまう。線圧が低いと、光沢度が低くなる傾向がある。このように画質が安定しないので、基準速度と同様の定着性を確保することは困難である。

なお、搬送速度を下げる場合、定着圧を調整して、通常の搬送速度時と比較して通過時間をやや長くし、かつ、線圧をやや低くし、さらに定着温度を調整することも考えられる。しかし、完全に同一の定着条件を得ることは困難であり、画質の向上や生産性の課題を解決することは困難である。

なお、加圧領域の圧力を変更可能な定着装置としては、特許文献１～４に記載されているようなものがある。特許文献１の記載の定着装置は、加圧ベルトを加熱ローラーに押圧するソフトパッド又はハードパッドを備えている。特許文献２に記載の定着装置は、定着ベルトを用紙の搬送経路側に押圧する押圧部材を備えている。特許文献３に記載の定着装置は、定着ベルトに圧接する加圧手段が、移動可能に設けられている。特許文献４に記載の定着装置は、定着ベルトの張力を可変するニップ形状変更部を備えている。

特開２００８－２３３１３３号公報 特開２０１０－１２７９９６号公報 特開２０１０－２１１０８０号公報 特開２０１７－１１１１８８号公報

しかしながら上記特許文献１～４に記載された定着装置は、用紙の種類や所望される光沢度に応じて加圧領域の圧力を変更させるものであり、普通紙通紙時の搬送速度の低下に対応した加圧領域の圧力の変更には適用できない。

本発明は上記事情を考慮し、用紙の搬送速度が低下した場合も、基準の搬送速度の場合と同じ定着性能を与えることのできる定着装置及びこの定着装置を備える画像形成装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の定着装置は、弾性を有する定着ローラーと、前記定着ローラーに撓みをもって巻き付けられる無端状の定着ベルトと、前記定着ベルトを介して前記定着ローラーを押圧して変形させ、前記定着ベルトとの間に用紙を挟持搬送する加圧領域を形成する加圧ローラーと、前記加圧領域に搬送される用紙の搬送速度が基準の搬送速度よりも遅い場合に、前記定着ベルトを前記加圧ローラーと反対方向に引っ張って前記定着ベルトを緊張させ、前記定着ローラーの変形を拘束する張力付与部と、を備えていることを特徴とする。

本発明の定着装置において、前記張力付与部は、用紙の搬送方向における前記加圧領域の長さを短くして前記加圧領域を用紙が通過する時間と前記加圧領域の線圧とが基準の搬送速度の場合と同じとなるように、前記定着ベルトを引っ張る力を制御することを特徴としても良い。

本発明の画像形成装置は、用紙にトナー像を形成する画像形成部と、前記トナー像を前記用紙に定着する上記に記載の定着装置と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、通紙時に搬送速度を基準の搬送速度よりも低下させた際に、定着ベルトを緊張させて定着ローラーの変形を拘束することで、加圧領域の長さが短くなり、高い線圧を得ることができる。したがって、用紙の搬送速度が低下しても、基準の搬送速度と同じ定着性能を与えることができる。

本発明の一実施形態に係るプリンターの内部構成を模式的に示す正面図である。 本発明の一実施形態に係る定着装置（基準搬送速度時）を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る定着装置（搬送速度低下時）を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る定着装置において、基準搬送速度時における定着圧と加圧領域の長さ及び加圧領域の線圧との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る定着装置において、搬送速度低下時における定着圧と加圧領域の長さ及び加圧領域の線圧との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ本発明の画像形成装置及び定着装置について説明する。

まず、図１を用いて、画像形成装置としてのプリンターの全体の構成について説明する。図１はプリンター１の内部構成を模式的に示す正面図である。

プリンター１の装置本体２には、用紙Ｓが収容される給紙カセット３と、給紙カセット３から用紙Ｓを送り出す給紙装置５と、用紙Ｓにトナー像を形成する画像形成部７と、トナー像を用紙Ｓに定着する定着装置９と、用紙Ｓを排紙する排紙装置１１と、排紙された用紙Ｓが受け止められる排紙トレイ１３と、が備えられている。さらに、装置本体２には、給紙装置５から、画像形成部７と定着装置９とを通って排紙装置１１に向かう用紙Ｓの搬送経路１５が形成されている。

給紙装置５によって給紙カセット３から給紙された用紙Ｓは、搬送経路１５に沿って画像形成部７に搬送され、用紙Ｓにトナー像が形成される。用紙Ｓは搬送経路１５に沿って定着装置９に送られ、トナー像が用紙Ｓに定着される。トナー像が定着された用紙Ｓは排紙装置１１から排紙トレイ１３に排出される。

次に、図２及び図３を参照して、定着装置９について説明する。図２及び図３は定着装置の断面図であり、図２は基準搬送速度時、図３は搬送速度低下時を示す。

定着装置９は、定着ローラー２１と、加熱ローラー２３と、定着ローラー２１と加熱ローラー２３とに巻き付けられる無端状の定着ベルト２５と、定着ベルト２５を介して定着ローラー２１に押圧される加圧ローラー２７と、定着ベルト２５を加圧ローラー２７と反対方向に引っ張る張力付与部２９と、を備えている。

定着ローラー２１は、円柱状の芯金２１ａと、芯金２１ａの外周面に設けられる弾性層２１ｂと、を有している。芯金２１ａは、例えば、鉄で形成される。弾性層２１ｂは、例えば、シリコーンスポンジで形成される。定着ローラー２１は回転可能に支持されている。

加熱ローラー２３は、円筒状の芯金２３ａと、芯金２３ａの外周面に設けられる表層２３ｂと、を有している。芯金２３ａは、例えば、鉄で形成される。表層２３ｂは、例えば、ＰＴＦＥで形成される。加熱ローラー２３の中空部には、ハロゲンヒーター３１が収容されている。ハロゲンヒーター３１は加熱ローラー２３の内周面に輻射熱を放射し、加熱ローラー２３を加熱する。加熱ローラー２３は、定着ローラー２１とは離間して配置されて、定着ローラー２１から離れる方向に移動可能に支持されている。

定着ベルト２５は、定着ローラー２１の外径よりも大きい外径を有する無端状のベルトである。定着ベルト２５は、基材層と、基材層の外周面に設けられる弾性層と、弾性層の外周面に設けられる離型層と、を有している。基材層は、例えば、ＳＵＳで形成される。弾性層は、例えば、シリコーンゴムで形成される。離型層は、例えば、ＰＦＡチューブで形成される。定着ベルト２５は、定着ローラー２１と加熱ローラー２３とに撓みを持って巻き回されている。

加圧ローラー２７は、芯金２７ａと、芯金２７ａの外周面に設けられる弾性層２７ｂと、弾性層２７ｂの外周面に設けられる離型層２７ｃと、を有している。芯金２７ａは、例えば、ＳＵＳで形成されている。弾性層２７ｂは、シリコーンゴム等で形成されている。離型層２７ｃは、ＰＦＡチューブ等で形成されている。加圧ローラー２７は、定着ベルト２５を介して定着ローラー２１を押圧し、定着ローラー２１を弾性変形させ、加圧ローラー２７と定着ベルト２５との間に加圧領域Ｎを形成している。さらに、加圧ローラー２７は、モーター３５により駆動されて回転する。加圧ローラー２７の回転により、定着ベルト２５が加圧ローラー２７に従動して加圧ローラー２７とは反対の方向に回転する。

張力付与部２９は、加熱ローラー２３の両端部に回動可能に支持される一対のレバー４１と、一対のレバー４１を回動させるモーター４３と、を有している。一対のレバー４１は、加熱ローラー２３の両端部に、定着ローラー２１側からベアリング等（図示省略）を介して当接している。モーター４３は、加熱ローラー２３を定着ローラー２１から離れる方向に移動させるように、一対のレバー４１を回動させる。モーター４３によってレバー４１が回動すると、図３に示されるように、加熱ローラー２３が定着ローラー２１から離れる方向に移動して、定着ベルト２５が、加熱ローラー２３と定着ローラー２１との間で緊張する。なお、加熱ローラー２３と共にハロゲンヒーター３１も移動してもよい。

上記構成を有する定着装置９の通常の定着動作を説明する。まず、加圧ローラー２７がモーター３５で駆動されて回転し、定着ベルト２５は、加圧ローラー２７の回転方向とは反対の方向に従動回転する。同時に、ハロゲンヒーター３１が駆動されて加熱ローラー２３を加熱し、加熱された加熱ローラー２３によって定着ベルト２５が加熱される。定着ベルト２５は、所定の制御温度（例えば、１６０℃）となるまで加熱される。このように定着ベルト２５が加熱された後、トナー像が転写された用紙Ｓが、加圧領域Ｎに搬送される。加圧領域Ｎにおいて、用紙Ｓは定着ベルト２５と加圧ローラー２７とに挟持されて搬送される。この際、定着ベルト２５によって用紙Ｓが加熱されると共に加圧ローラー２７と定着ベルト２５とによって加圧されて、トナー像が用紙Ｓに定着される。トナー像が定着された用紙Ｓは、搬送経路１５に沿って搬送される。

ところで、通紙時に、画像の解像度を上げたり騒音を低減したりする目的で、用紙Ｓの搬送速度を低下させる場合がある。このような場合、例えば、装置本体２に設けられている操作部（図示省略）によって、特殊モードが選択される。特殊モードが選択されると、一例として、用紙Ｓの搬送速度が基準速度の半分になるように調整される。同時に、定着装置９においては、張力付与部２９によって加熱ローラー２３が定着ローラー２１から離間する方向へ移動させられる。これにより、定着ベルト２５が加熱ローラー２３と定着ローラー２１との間で緊張して、緊張した定着ベルト２５によって定着ローラー２１の変形が拘束され、言い換えると、定着ローラー２１が弾性変形しにくくなり、見掛け上の硬度が高くなる。その結果、加圧領域Ｎの定着圧が同じになると共に搬送方向に沿った加圧領域Ｎの長さが短くなる。

次に、図５のグラフと図４のグラフとを参照して、定着圧と、加圧領域Ｎの長さ及び加圧領域Ｎの線圧との関係について説明する。定着圧は、例えば、加圧ローラー２７を定着ローラー２１に接近する方向又は離間する方向へ移動させることで変化させた。図４のグラフは、基準搬送速度における定着装置９（図２参照）を示し、定着ベルト２５は加熱ローラー２３と定着ローラー２１との間に撓みを持って巻き回されている。この状態の定着圧を２００Ｎとすると、加圧領域Ｎの長さは８ｍｍとなり、線圧は２５Ｎ／ｍｍとなる。用紙の搬送速度を２００ｍｍ／ｓとすると、通過時間は、８ｍｍ／２００ｍｍ／ｓ＝４０ｍｓとなる。

図５のグラフは、搬送速度が基準搬送速度の半分（１００ｍｍ／ｓ）における定着装置９（図３参照）を示し、定着ベルト２５は張力付与部２９によって緊張して、定着ローラー２１の変形が拘束されている。これにより、図４のグラフと比べて、各定着圧における加圧領域Ｎの長さが短くなり、その結果、各定着圧における線圧が高くなっている。例えば、加圧領域Ｎの長さが４ｍｍとなると、定着圧は１００Ｎとなり、線圧は２５Ｎ／ｍｍとなる。また、通過時間は、４ｍｍ／１００ｍｍ／ｓ＝４０ｍｓとなる。

このように、搬送速度が低下しても、基準の搬送速度の場合と比べて線圧と通過時間とが変化しないので、定着性能への影響は基準の搬送速度の場合と同じとなる。

上記説明したように、本発明の定着装置９によれば、通紙時に搬送速度を基準の搬送速度よりも低下させた際に、張力付与部２９が定着ベルト２５を緊張させて定着ローラー２１の変形を拘束することで、加圧領域Ｎの長さを短くしている。この結果、同じ定着圧において、搬送速度低下時の加圧領域の長さが、基準の搬送速度時の加圧領域の長さよりも短くなっている。例えば、図４と図５のグラフからわかるように、定着圧が１００Ｎの場合、基準搬送速度時の加圧領域の長さは６ｍｍであるが、搬送速度低下時の加圧領域の長さは４ｍｍとなっている。このように、同じ定着圧において加圧領域の長さを短くできるので、高い線圧を得ることができる。

つまり、張力付与部２９は、基準の搬送速度よりも遅い場合に、加圧領域Ｎの長さを短くして、加圧領域Ｎを用紙が通過する時間と加圧領域Ｎの線圧とが、基準の搬送速度の場合と同じとなるように、定着ベルト２５を引っ張る力を制御する。

その結果、基準の搬送速度よりも遅い場合も、基準の搬送速度の場合と同じ定着性能を与えることができる。この際、定着温度を変化させる必要がないので、待ち時間がなく生産性に影響を与えない。さらに、光沢度も変化しないので、画質劣化が生じない。

なお、張力付与部２９の構成は、本実施形態に限らない。例えば、カムやソレノイドを用いて加熱ローラー２３を移動させても良い。あるいは、定着ベルト２５を加熱する熱源として、加熱ローラー２３ではなくＩＨコイルを使用する場合には、定着ベルト２５を定着ローラーとテンションローラーとに巻き回し、テンションローラーを定着ローラー２１と反対方向に移動させても良い。

上記した本発明の実施形態の説明は、本発明に係る定着装置及び画像形成装置における好適な実施の形態を説明しているため、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。すなわち、上記した本発明の実施の形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、かつ、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能であり、上記した本発明の実施の形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

１ プリンター（画像形成装置）
７ 画像形成部
９ 定着装置
２１ 定着ローラー
２５ 定着ベルト
２７ 加圧ローラー
２９ 張力付与部

Claims (2)

1. 弾性を有する定着ローラーと、
   前記定着ローラーに撓みをもって巻き付けられる無端状の定着ベルトと、
   前記定着ベルトを介して前記定着ローラーを押圧して変形させ、前記定着ベルトとの間に用紙を挟持搬送する加圧領域を形成する加圧ローラーと、
   前記加圧領域に搬送される用紙の搬送速度が基準の搬送速度よりも遅い場合に、前記定着ベルトを前記加圧ローラーと反対方向に引っ張って前記定着ベルトを緊張させ、前記定着ローラーの変形を拘束する張力付与部と、を備え、
   前記張力付与部は、用紙の搬送方向における前記加圧領域の長さを短くして前記加圧領域を用紙が通過する時間と前記加圧領域の線圧とが基準の搬送速度の場合と同じとなるように、前記定着ベルトを引っ張る力を制御することを特徴とする定着装置。
2. 用紙にトナー像を形成する画像形成部と、
   前記トナー像を前記用紙に定着する請求項１に記載の定着装置と、を備えていることを特徴とする画像形成装置。
   

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