JP4701051B2 - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置における定着装置に関し、さらに詳しく言えば、ベルト定着装置に関するものである。

特開平１０−３０７５０１号公報 特開平５−１４２９５９号公報 特開２００５−１０５３０

複写機、プリンタなどの画像形成装置に具備される、トナー像を記録媒体に加熱定着させる定着装置として、近年多くのベルト定着装置が提案されている。
特許文献１に記載のものはその代表的なものである。この特許文献１には、定着ベルトを介して加圧ローラと定着ローラとを圧接させたローラ間ニップ以外に、定着ベルトを加圧ローラに巻き付けた構成によってニップ幅を広くしたベルト定着装置が開示されている。

ベルト定着装置の特長は熱ローラ定着（ヒートロール方式）よりもニップ幅を広くできることである。ニップ幅を広くすることによって、定着制御温度を低く設定でき、立ち上がり時間を短くして省エネルギーを図ることができる。

また、ニップ幅を広くすることによって、良好に定着できる温度幅が広がり、厚さの異なる紙種への対応性も広くなる利点がある。
特許文献１に記載のものは、上記利点を最大限に引き出すために定着ベルトを加圧ローラに巻き付けた構成によってニップ幅を広くしている。

一方、特許文献２及び特許文献３のものは、互いに圧接した状態で循環移動する定着ベルトと加圧ベルトとの間に、未定着トナー像を担持した記録媒体を挟持した状態で搬送し、定着を行なうものである。

しかしながら、特許文献１に記載されたような構成の定着装置では、ニップを形成するローラの径が大きいために転写材を分離するための分離爪などの分離手段が必要になる。この分離手段が定着ベルトや加圧ローラに摺動するためにその摺動跡が画像に発生したり、摺動のために定着ベルトや加圧ローラの表層部材が摩耗するなどの問題が生じている。近年ではワックス成分を含有したトナーが主流となり、定着装置に離型剤塗布手段が無くなり、離型剤が定着ベルトや加圧ローラ表層を保護しているという働きが無くなったために、上記の問題は顕著になってきている。

また、特許文献１に記載のものは、定着ベルトが熱源を持たない定着ローラに巻き付いているので、特に待機状態からのファーストプリント時に、定着ローラが待機時に冷えてしまい、定着ローラが定着ベルトとの接触部で定着ベルトから熱を奪ってしまうため、プリント可能な温度状態になるのに時間がかかったり、温度が不安定なため、初期の画像で定着不良が発生したりする場合があるという問題があった。

そして、特許文献２及び特許文献３に記載されたような構成の定着装置では、互いに圧接される定着ベルトと加圧ベルトの導入部に配置された２つのローラ（定着ローラと加圧ローラ）の圧接部（ニップ）において定着作用が行なわれる（該２つのローラ圧接部以降の部分は、上記２つのローラの圧接部で加熱された記録媒体を冷却させるための部分である）ため、場合によっては定着後の画像光沢度が高くなりすぎたり、また、紙種対応性にも優れないという問題があった。

本発明は、従来のベルト定着装置における上述の問題を解決し、立ち上がり時間が早く、紙種対応性も広く、待機状態からのプリント及びコピーも早く、画像品質の良い定着装置及び画像形成装置を提供することを課題とする。

前記の課題は、本発明により、未定着トナー像を担持した記録媒体を加熱及び加圧して定着する定着装置であって、少なくとも定着ローラと第１分離ローラを含む複数の部材に巻回された第１定着ベルトと、少なくとも加圧ローラと第２分離ローラを含む複数の部材に巻回された第２定着ベルトを有し、前記定着ローラが熱源により加熱され、前記第１定着ベルトが記録媒体の未定着トナー像担持面に当接し、前記第１分離ローラは前記定着ローラの用紙搬送方向下流側に、前記第２分離ローラは前記加圧ローラの用紙搬送方向下流側に配置され、前記定着ローラと前記加圧ローラが前記第１定着ベルト及び前記第２定着ベルトを挟んで圧接することにより形成される第１定着工程部と、該第１定着工程部の用紙搬送方向下流側で前記第１定着ベルトと前記第２定着ベルトが圧接されて形成される第２定着工程部を備え、前記第１定着工程部で未定着トナー像に定着下限以上の熱量を付与するとともに、前記第２定着工程部で所望の画像光沢度を得るのに必要な熱量を付与することにより解決される。

また、前記第１定着工程部で記録媒体に付与する熱量が前記第２定着工程部で記録媒体に付与する熱量よりも大きいと好ましい。

また、前記第１分離ローラ及び前記第２分離ローラは、前記第１定着ベルト及び前記第２定着ベルトに挟持されて搬送される記録媒体を前記第１定着ベルト及び前記第２定着ベルトから分離できる径に設定されていると好ましい。

また、前記第２定着ベルトを加熱するための加熱部材を有すると好ましい。
また、前記加圧ローラが弾性層を有すると好ましい。
また、前記弾性層が断熱層を兼ねると好ましい。

また、前記の課題は、本発明により、請求項１〜６のいずれか１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により解決される。

本発明の定着装置及び画像形成装置によれば、第１定着工程部及び第２定着工程部において未定着トナー像を担持した記録媒体を加熱及び加圧して定着を行なうので、ニップ幅を広くすることができ、そのため、定着制御温度を低く設定することが可能となり、立ち上がり時間が短く、また、エネルギー消費量が少なくて済む定着装置及び画像形成装置を提供することができる。さらに、定着工程の機能分離を可能とし、紙種対応性の向上及びユーザが望む光沢度への対応が可能となる。

また、第１定着工程部は未定着トナー像に定着下限以上の熱量を付与するように用紙搬送方向の長さを設定すれば、第１定着工程部を経た画像はトナー像が動くことがなく、以降の定着工程で画像が乱れることがない。

くわえて、第２定着工程部は所望の画像光沢度を得るのに必要な熱量を付与するように用紙搬送方向の長さを設定することで、ユーザが望む任意の光沢を持つ画像を出力することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る定着装置を備える画像形成装置の一例を示す断面構成図である。

この図に示す画像形成装置としてのプリンタ１００は、装置上面に排紙トレイ１３を設けている。排紙トレイ１３の下にレーザ書込みユニット１０を配置し、その下方に感光体ドラム１を中心とする作像部を設けている。感光体ドラム１の周囲には、電子写真プロセスに必要な帯電器２，現像装置３，転写装置４，クリーニング装置５，除電器６等の各機器が配置されている。転写装置としての転写チャージャ４に隣接して分離チャージャ７が配置される。その作像部の図において左方には、定着装置１２が配置され、感光体ドラム１と定着装置１２間は搬送ベルト１１によって連絡されている。

レーザ書込みユニット１０は、レーザ出力ユニット，結像レンズおよびミラー等で構成され、レーザ光源であるレーザダイオード及びモータによって高速で定速回転する回転多面鏡（ポリゴンミラー）を有している。レーザ出力ユニットより照射されるレーザ光は、定速回転するポリゴンミラーで偏光され、結像レンズを通り、ミラーで折り返され、作像部の感光体面上に集光結像する。

装置下部には２段の給紙カセット１５，１５が備えられ、各給紙カセットに対応する給紙手段１６，１６が設けられている。給紙カセット１５から排紙トレイ１３までの用紙搬送路中の各所には搬送ローラ１７が適宜配置されている。各給紙カセット１５から給紙手段１６によって送出された用紙は、搬送ローラ１７によって上方に搬送され、レジストローラ１４へと送られる。

本例のプリンタ１００においては、感光体ドラム１とそれに付随する現像装置３及びクリーニング装置５等をプロセスカートリッジとして一体的に画像形成装置本体に対して脱着可能に設けている。クリーニング装置５は、クリーニングブレード及びブラシローラ（補助クリーニング部材）を備え、感光体ドラム１表面に残留するトナー等の異物を除去する。なお、感光体ドラム１は図中時計回りに回転される。

上記のように構成されたプリンタ１００における複写動作について簡単に説明する。
パソコン等の外部機器より送られた画像データに基づいて書き込みユニット１０のレーザ出力ユニットが駆動され、書き込みユニット１０からのレーザー光が感光体ドラム１に照射され、感光体ドラム１の表面に静電潜像が形成される。その静電潜像に現像装置３よりトナーが付与されてトナー像として可視化される。

一方、給紙カセット１５，１５のいずれかより用紙が給紙され、レジストローラ１４へ給送されてる。そして、感光体ドラム１上のトナー像とタイミングを合わせてレジストローラ１４より用紙が転写部へ送出される。転写装置４により感光体ドラム１上のトナー像が用紙上に転写され、分離チャージャ７により用紙が感光体より分離される。トナー像を担持した用紙は搬送ベルト１１により定着装置１２へ搬送され、加熱及び加圧によりトナー像が用紙に定着される。トナー像定着後の用紙は搬送ローラ１７により搬送され、排紙ローラ１８によって装置上面の排紙トレイ１３へと排出される。

なお、感光体ドラム１の表面を一様に帯電させる帯電器としては、本例のチャージャタイプのほかに、感光体表面に接触するタイプ、たとえば帯電ローラを採用することもできる。また、転写装置としては、本例のチャージャタイプのほかに、感光体表面に接触するタイプ、たとえば転写ローラあるいは転写ベルトを採用することもできる。さらに、書込みユニットとしては、本例のレーザスキャン方式の他に、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）アレイと結像素子からなる露光装置を採用することもできる。

図２は、定着装置１２の要部構成を示す断面図である。
この図に示すように、定着装置１２は第一定着回転体としての第１定着ベルト５１及び第二定着回転体としての第２定着ベルト６１を具備している。第１定着ベルト５１は、定着部材としての定着ローラ５２，第一分離部材としての第１分離ローラ５３及び支持ローラ５４に掛け渡されて回動可能に支持されている。定着ローラ５２の内部には、転写紙等の記録媒体に熱を付与するための熱源としてのハロゲンヒータ５５，５５が内蔵されている。その定着ローラ５２に第１定着ベルト５１を挟んで圧接するようにクリーニングローラ５６が設けられ、クリーニングローラ５６に圧接して保持ローラ５７が設けられている。また、クリーニングローラ５６の下部に位置して、非接触式の温度検知手段５８が定着ローラ５２に対向して配設されている。

第２定着ベルト６１は、加圧部材としての加圧ローラ６２，加熱部材としての加熱ローラ６３，支持ローラ６４及び第二分離部材としての第２分離ローラ６５に掛け渡されて回動可能に支持されている。加熱ローラ６３の内部には、転写紙等の記録媒体に熱を付与するための熱源としてのハロゲンヒータ６６が内蔵されている。また、加熱ローラ６３には接触式温度検知手段であるサーミスタ６７が付設されている。そして、支持ローラ６４に第２定着ベルト６１を挟んで圧接するようにクリーニングローラ６８が設けられ、クリーニングローラ６８に圧接して保持ローラ６９が設けられている。

第１定着ベルト５１及び第２定着ベルト６１は同じ構成であり、本例では基体の厚み９０μｍのポリイミド樹脂からなるφ７０ｍｍの無端状ベルトの表面に厚み２００μｍのシリコンゴムを被覆し、更にその最外層部に３０μｍのＰＦＡ層を備えたものである。

定着ローラ５２は、厚み１ｍｍのアルミ製中空パイプの内部にハロゲンヒータ５５，５５を備えたものである。加圧ローラ６２は、芯金上に弾性層及び断熱層として１０ｍｍ厚の発泡シリコンゴムを被覆したものである。そして、加圧ローラ６２が定着ローラ５２に対して第１定着ベルト５１及び第２定着ベルト６１を挟んで図示しない加圧手段により圧接されている。定着ローラ５２は図中時計回りに、加圧ローラ６２は図中反時計回りに回転する。したがって、第１定着ベルト５１は図中時計回りに、第２定着ベルト６１は図中反時計回りに回転する。用紙は図に矢印で示すように定着ローラ５２及び加圧ローラ６２間に図の右方から進入し、分離ローラ５３及び分離ローラ６５間から図の左方に送出される。なお、本例では、定着装置に進入してくる用紙Ｐの上面に未定着トナー像が担持されており、したがって、未定着トナー像は定着ローラ５２側の第１定着ベルト５１に当接することになる。

定着ローラ５２及び加圧ローラ６２の下流側（第１定着ベルト５１及び第２定着ベルト６１による用紙搬送方向の下流側）に位置して、分離ローラ５３と分離ローラ６５が第１定着ベルト５１及び第２定着ベルト６１を挟んで対向配置されている。したがって、定着ローラ５２及び加圧ローラ６２の対向圧接部から分離ローラ５３及び分離ローラ６５の対向圧接部にかけて、図３に示すように、第１定着工程部：Ａ，第２定着工程部：Ｂが形成されている。なお、分離ローラ５３及び分離ローラ６５は、定着ローラ５２及び加圧ローラ６２よりも小径であり、本例では両者とも直径１６ｍｍである。また、分離ローラ５３及び分離ローラ６５の構成は同一であり、直径１０ｍｍの鋼製芯金上に３ｍｍ厚の発泡シリコーンゴムを被覆した構成となっている。

さて、本例の定着装置１２は、上記したように、第１定着ベルト５１及び第２定着ベルト６１を挟んで定着ローラ５２と加圧ローラ６２とが圧接されて形成されたローラ間ニップ（第１定着工程部：Ａ）に加えて、定着ベルト同士（第１定着ベルト５１と第２定着ベルト６１）が対向圧接されて形成されたベルトニップ（第２定着工程部：Ｂ）でも用紙に熱を与える、すなわち第１〜第２定着工程部で用紙に熱を与えるため、見かけ上ニップ幅を広くすることができる。そのため、定着制御温度を低く設定することが可能となり、立ち上がり時間が短く、また、エネルギー消費量が少なくて済む。

また、トナー像が動かなくなる状態（定着下限）まで熱量を与える第１定着工程部、所望の光沢度まで熱量を与える第２定着工程部、定着した転写紙を分離する第３定着工程部に機能分離することができ、紙種対応性が向上しユーザが望む光沢度にも対応できるなど様々なニーズに合った定着装置を提供することができる。

さらに、画像面（未定着トナー像）側の第１定着ベルト５１内の定着ローラ５２に熱源（ヒータ）を設けた構成なので、待機中も定着ローラ５２を所定温度に加熱する（予熱しておく）ことにより、待機状態からのファーストコピー時も第１定着工程部（Ａ）及び画像面側定着ベルト（第１定着ベルト５１）が所定温度に温められているので、待機状態からのプリント及びコピーが早く、また、安定した画質の画像を出力することができる。

ところで、本例のプリンタ１００において未定着像を形成するトナー成分はポリエステル系樹脂が主な成分であり、それにパラフィンワックスを含有している。また、紙上のベタ部分のトナー付着量は最大で１．０ｍｇ／ｃｍ^２ である。また、対応している紙種は坪量で５２ｇ／ｍ^２ 〜１０５ｇ／ｍ^２ まで対応している。さらに図２に示す非接触温度検知手段５８の出力で１６５度が定着制御温度である。

上記の条件で最も熱量が必要な坪量１０５ｇ／ｍ^２ の用紙でトナー付着量が１．０ｍｇ／ｃｍ^２ のベタ画像をトナー像が動かなくなる定着下限の状態までにするのに必要な熱量は紙サイズＡ４あたり４００Ｊであることがそれぞれの特性値より計算で求まる。また本実施例での搬送速度は３５２ｍｍ／ｓｅｃであり、この搬送速度で第１定着工程部で４００Ｊ以上の熱量を与えるには幅で９ｍｍ以上必要であることが計算により求まる。従って、本実施例では第１定着工程部（Ａ）のニップ幅は９ｍｍ以上として１０ｍｍに設定してある。

上記設定により、第１定着工程部で未定着トナー像に定着下限以上の熱量を与えることができるので、第１定着工程部を経た画像はトナー像が動くことが無く、第２定着工程部でも画像が乱れることがなくなる。

仮に、第１定着工程部のニップ幅が９ｍｍに満たないと第１定着工程部で付与される熱量が定着下限に達しない為、第１定着工程部を経た画像はまだトナー像が動く状態であり、圧分布の不安定な第２定着工程部で画像が乱される不具合が生じる場合がある。しかし、本例では上記のように第１定着工程部（Ａ）のニップ幅は１０ｍｍに設定してあるので、そのような不具合は発生しない。

また、本例のプリンタ１００では、ユーザが望む画質の光沢は反射角６０度の光沢度計で１５％であると市場調査により決めている。１５％の光沢度を得るのに必要な熱量は本実施例で使用しているトナーでは紙サイズＡ４あたり５１０Ｊである。第１定着工程部のニップ幅が本実施例では１０ｍｍであり、この間に４３０Ｊの熱量をＡ４用紙一枚に与えているので、残りの８０Ｊの熱量を第２定着工程部で与えなければならない。その為には第２定着工程部のニップ幅は１１ｍｍ必要であることが計算により求まる。したがって本実施例では第２定着工程部（Ｂ）のニップ幅を１１ｍｍに設定してある。これにより、ユーザが所望する光沢度１５％の画質で出力することができる。

また、本例で対応している紙種は坪量で５２ｇ／ｍ^２〜１０５ｇ／ｍ^２であり、その中で最も分離搬送に不利な薄い坪量５２ｇ／ｍ^２ の紙が第１定着工程及び第２定着工程を経て分離搬送するためには分離ローラ５３，６５の径が直径で２０ｍｍ以下でなくてはならないことが実験により求まる。従って本例では分離ローラ５３，６５の径を１６ｍｍと小径にしている。これにより分離ローラ５３，６５部で用紙を曲率分離することができ、そのため分離爪等の摺動部材が必要なくなるので、摺動跡が発生することもなく、第１定着ベルト５１及び第２定着ベルト６１の寿命も長寿命となる。また、片面定着時や両面定着時でも作像面側と非作像面側の両方とも曲率分離することが可能で、良好な転写紙搬送性能を得ることができる。なお、図１では用紙反転部を図示していないが、搬送ベルト１１及び定着装置１２と上段の給紙カセット１５との間に用紙反転部を設け、反転させた用紙をレジストローラ１４へ再給紙するように構成すれば良い。

なお、本例の定着装置１２は、内部にヒータを備えている定着ローラ５２及び加熱ローラ６３以外のローラは全て弾性層を備えるものである。その弾性層を本例では発泡シリコンゴムにより構成しているので、これらの弾性層を備えるローラ部材が第１定着ベルト５１及び第２定着ベルト６１に蓄熱された熱をほとんど奪うことがない。

すなわち、第１定着ベルト５１及び第２定着ベルト６１に熱を与える定着ローラ５２及び加熱ローラ６３以外のローラは断熱されているため、待機状態で定着ローラ５２及び加熱ローラ６３以外のローラが室温まで冷めていても、定着可能温度までの復帰時間が短く、熱応答性も早くなる。また、熱容量が少ないので立ち上がりも早くなり、消費電力を少なくすることができる。

以上、本発明を図示例により説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
定着装置の構成は本発明の範囲内で適宜変更可能である。例えば、第１定着ベルトを加熱する定着ローラあるいは第２定着ベルトを加熱する加熱ローラとしては、ローラ外部に熱源（ヒータ）を設けたものでも良い。また、誘導加熱方式を採用することも可能である。

定着制御温度も一例であり、適宜設定可能である。また、使用する用紙種類や所望の光沢度も一例であり、必要な性能を得られるように定着装置各部に用いる部材やサイズ等を選択すればよい。使用するトナーも一例であり、適宜なものを使用可能である。

また、画像形成装置においては複数色あるいはフルカラーのカラー画像形成装置とすることもできる。また、画像形成装置の作像部等の構成は任意であり、例えばカラー画像形成装置とする場合、一つの像担持体の周りに複数の現像器を配置した構成や、複数の像担持体を有するタンデム型の構成を採用することもできる。また、中間転写方式を採用しても良い。また、用紙反転部の有無も任意である。さらに、画像形成装置としてはプリンタに限らず、複写機やファクシミリ、あるいは複数の機能を有する複合機であっても良い。

本発明に係る定着装置を備える画像形成装置の一例を示す断面構成図である。 定着装置の要部構成を示す断面図である。 定着装置の第１〜第３定着工程部を説明するための部分拡大図である。

符号の説明

１ 感光体ドラム
１２ 定着装置
５１ 第１定着ベルト
５２ 定着ローラ
５３ 第１分離ローラ
５４，６４ 支持ローラ
５５，６６ ハロゲンヒータ（熱源）
５６，６８ クリーニングローラ
５８ 温度検知手段
６１ 第２定着ベルト
６２ 加圧ローラ
６３ 加熱ローラ
６５ 第２分離ローラ
６６ ハロゲンヒータ
６７ サーミスタ
１００ プリンタ（画像形成装置）
Ａ 第１定着工程部
Ｂ 第２定着工程部

Claims (7)

1. 未定着トナー像を担持した記録媒体を加熱及び加圧して定着する定着装置であって、
   少なくとも定着ローラと第１分離ローラを含む複数の部材に巻回された第１定着ベルトと、少なくとも加圧ローラと第２分離ローラを含む複数の部材に巻回された第２定着ベルトを有し、
   前記定着ローラが熱源により加熱され、前記第１定着ベルトが記録媒体の未定着トナー像担持面に当接し、
   前記第１分離ローラは前記定着ローラの用紙搬送方向下流側に、前記第２分離ローラは前記加圧ローラの用紙搬送方向下流側に配置され、
   前記定着ローラと前記加圧ローラが前記第１定着ベルト及び前記第２定着ベルトを挟んで圧接することにより形成される第１定着工程部と、
   該第１定着工程部の用紙搬送方向下流側で前記第１定着ベルトと前記第２定着ベルトが圧接されて形成される第２定着工程部を備え、
   前記第１定着工程部で未定着トナー像に定着下限以上の熱量を付与するとともに、前記第２定着工程部で所望の画像光沢度を得るのに必要な熱量を付与することを特徴とする定着装置。
2. 前記第１定着工程部で記録媒体に付与する熱量が前記第２定着工程部で記録媒体に付与する熱量よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の定着装置。
3. 前記第１分離ローラ及び前記第２分離ローラは、前記第１定着ベルト及び前記第２定着ベルトに挟持されて搬送される記録媒体を前記第１定着ベルト及び前記第２定着ベルトから分離できる径に設定されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の定着装置。
4. 前記第２定着ベルトを加熱するための加熱部材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. 前記加圧ローラが弾性層を有することを特徴とする、請求項１に記載の定着装置。
6. 前記弾性層が断熱層を兼ねることを特徴とする、請求項５に記載の定着装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１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。

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