JP4766107B2 - 定着装置およびこれを備える画像形成装置 - 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。
図７は、一対のベルトを用いて定着ニップを形成する定着装置の構成を説明するための断面模式図である。この定着装置７０では、トナー画像が転写されて上方に向って搬送される記録シートＳを左右方向から加圧する一対の第１ベルト７１および第２ベルト７２を備えている。図７においては、第１ベルト７１と第２ベルト７２とを相互に離間させた状態で示しているが、実際の定着装置７０では、第１ベルト７１および第２ベルト７２は、記録シートＳの搬送方向上流側（下側）部分同士および下流側（上側）部分同士がそれぞれ圧接されて、第１ベルト７１および第２ベルト７２における相互に対向するベルト部分の間に定着ニップが形成されている。第１ベルト７１は、記録シートＳの搬送方向上流側に配置された第１上流側ローラ７３と、記録シートＳの搬送方向下流側に配置された第１下流側ローラ７４とに所定の引っ張り力（ベルトテンション）が加わった状態で巻き掛けられており、例えば、第１下流側ローラ７４が駆動モータによって回転駆動されることにより、矢印Ｂで示す方向に周回移動される。第１上流側ローラ７３の内部には、直線状に形成されたヒータランプ７７が、軸方向に沿って配置されている。

第１上流側ローラ７３および第１下流側ローラ７４は、等しい半径ｒ１をそれぞれ有しており、相互に平行に配置されている。第１上流側ローラ７３は、第１ベルト７１に記録シートＳの搬送方向に沿った所定のベルトテンションＦ１が加わるように、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ベルト７２は、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７５と、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７６とに巻き掛けられて矢印Ｃで示す方向に周回移動するようになっている。第２上流側ローラ７５および第２下流側ローラ７６も、第１上流側ローラ７３および第１下流側ローラ７４と同じ半径ｒ１をそれぞれ有しており、相互に平行に配置されている。第２上流側ローラ７５も、第２ベルト７２に記録シートＳの搬送方向に沿ったベルトテンションＦ１が加わるように、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７５および第２下流側ローラ７６は、それぞれ、第２ベルト７２および第１ベルト７１を介して、第１上流側ローラ７３および第１下流側ローラ７４に、等しい圧力Ｐ１によってそれぞれ押し付けられており、第１上流側ローラ７３と第２上流側ローラ７５とによって加圧された第１ベルト７１と第２ベルト７２との間に上流側ニップ部が形成され、第１下流側ローラ７４と第２下流側ローラ７６とによって加圧された第１ベルト７１と第２ベルト７２との間に下流側ニップ部が形成されている。上流側ニップ部および下流側ニップ部は、略等しいニップ圧とされている。上流側ニップ部および下流側ニップ部の間には、第１ベルト７１および第２ベルト７２の相互に対向するベルト部分同士が同方向に等しい速度で走行するフリーニップ部になっている。

このような構成の定着装置７０では、トナー画像が転写された記録シートＳが上流側ニップ部内に進入し、フリーニップ部を通過した後に、下流側ニップ部を通って排出される。記録シートＳが上流側ニップ部、フリーニップ部、下流側ニップ部のそれぞれを通過する間に、記録シートＳ上の未定着のトナー画像は、ヒータランプ７７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り熱定着される。

図８は、このような定着装置における上流側ニップ部、フリーニップ部および下流側ニップ部のそれぞれにおけるニップ圧の分布を示すグラフである。フリーニップ部では、第１ベルト７１および第２ベルト７２によるベルトテンションによってそれぞれのベルト部分同士が相互に接するように構成されているものの、ニップ圧がほとんど発生していない状態になっている。記録シート上のトナー画像は、上流側ニップ部〜下流側ニップ部を経て定着が完了し、フリーニップ部を通過する際には、トナー粒子は溶融状態になっている。そのため、フリーニップ部にニップ圧がほとんどなければベルトあるいは記録シートＳの振動で下流側ニップ部に達するまでの間にトナー画像がずれる画像ずれを起こすおそれがある。また、フリーニップ部を通過する記録シートＳに十分な圧力が加わらないことによって記録シートＳが振動すると、下流側ニップ部内に導入される際に、記録シートＳにしわが生じるおそれもある。

特許文献１には、記録シートＳ上の両面にそれぞれ転写された未定着のトナー画像を定着させる際に画像欠陥が発生することを抑制するために、図７に示す定着装置７０と概略同様の構成において、第２下流側ローラ７６の内部にもヒータを設ける構成が開示されている。また、特許文献２には、トナーの接着力により記録シートＳにしわが発生することを防止するために、図７に示す定着装置７０と概略同様の構成において、第１下流側ローラ７４を冷却する構成が開示されている。しかし、これら特許文献１および２のいずれの構成でも、相互に対向するベルト部分によってフリーニップ部が形成されているにすぎず、第１ベルト７１および第２ベルト７２のベルトテンションだけではフリーニップ部において十分なニップ圧が得られないために、画像ずれ、記録シートＳのしわの発生等を確実に防止することができない。

特許文献３、４、５のそれぞれには、フリーニップ部におけるニップ圧を増加させるために、第１ベルトの内周面を加圧パッドによって押圧して第１ベルトの外周面を第２ベルトの外周面に圧接させる構成の定着装置が開示されている。
特開平１１−１７４８７８号公報 特開２００１−１５４５１６号公報 特開２００７−２１９１０９号公報 特開２００７−３２４７６号公報 特開２００７−２４０６２２号公報

上記特許文献３〜５のそれぞれに開示されているように、第１ベルトの内周面を加圧パッドによって押圧することにより、第１ベルトおよび第２ベルトにおける相互に対向するベルト部分同士を相互に圧接することができ、これによりニップ圧を高めることができる。しかしながら、加圧パッドが第１ベルトの内周面に摺接するために、加圧パッドおよび第１ベルトが経時的に摩耗するおそれがある。このために、所望のニップ圧を長期にわたって安定的に得ることができないおそれがある。また、加圧パッドによって第１ベルトの内周面を押圧すると、加圧パッド自体の熱容量によって、第１ベルトを加熱するために必要とされる熱量が増加し、定着ニップ部を所定温度に上昇させるための加熱時間（ウォーミングアップ時間）が長くなるという問題も生じる。

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、相互に対向する一対のベルト間におけるニップ部において、ベルト内周面を押圧する部材を設けることなく、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、しかも、ウォーミングアップ時間を短縮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該記録シートに熱定着させる定着装置であって、前記第１ベルトおよび第２ベルトは、相互に離間した状態としたとき、前記一対の第１ローラの間および第２ローラの間のそれぞれにおいて、それぞれのベルト周回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、定着動作時において、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ベルトおよび前記第２ベルトを介して相互に押圧されて、前記第１ベルトにおける対向する２つのベルト周回部分の一方と、前記第２ベルトにおける対向する２つのベルト周回部分の一方とが圧接されており、定着動作時において、前記第１ベルトおよび第２ベルトは、非圧接状態にある他方のベルト周回部分が、前記第１ベルトおよび第２ベルトが離間した状態におけるときに比べて、自らの剛性によって外側に大きく突出した状態で周回移動す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ベルトおよび第２ベルトのそれぞれが、相互に離間した状態で、楕円形状の周回移動域で走行する剛性を有しており、このような剛性を有する第１ベルトおよび第２ベルトのそれぞれにおける湾曲状態で突出する一方のベルト周回部分同士が相互に圧接されていることによって、高いニップ圧の定着ニップを形成することができるとともに、定着ニップにおける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ベルトおよび第２ベルトのそれぞれにニップ圧を高めるための加圧パッドのような部材を設ける必要がなく、定着装置における熱容量を低減して、ウォーミングアップ時間を短縮することができる。

好ましくは、前記第１ベルトおよび第２ベルトは、相互に圧接されたそれぞれのベルト周回部分が平坦に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における前記一対の第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。

図１は、本発明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、本実施の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、記録シートＳを画像プロセス部３０に搬送して画像プロセス部３０にて形成されたトナー画像が記録シートＳ上に転写されるシート搬送部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印刷の実行指示（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、コロナ放電方式の帯電チャージャ、ローラ状の帯電部材、ブレード状の帯電部材、ブラシ状の帯電部材等を使用することができる。また、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が照射される。

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おい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として記録用紙等の記録媒体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内には、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が設けられており、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次転写部４６を通過した中間転写ベルト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、第１ベルト５１と第２ベルト５２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ベルト部分の間の定着ニップを通過する際に当該記録シートＳに加熱及び加圧により熱定着される。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、画像プロセス部３０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である。図２に示すように、定着装置５０の第１ベルト５１および第２ベルト５２は、２次転写部４６においてトナー画像が転写されて上方に向って搬送される記録シートＳを左右方向から挟むようにして加圧するようになっている。
図３（ａ）は、第１ベルト５１と第２ベルト５２とを相互に離間させた状態を示している。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（ａ）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、第２ベルト５２と離間された状態で、楕円形状を維持して周回移動することができる剛性を有している。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に所定のベルト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２か所のベルト周回部分が、テンションが加わる前の自然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よりも外側に同じ突出量（撓み量）δでそれぞれ外側に突出した湾曲状態で走行する。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り、図３（ａ）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も、第１ベルト５１と同様に、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、本実施形態では、第１ベルト５１と同じ剛性を有する同じ材質であって同じ形状に構成されている。図３（ａ）に示すように、第２ベルト５２も、第１ベルト５１と同様に、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、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、第１ベルト５１と離間した状態で、楕円形状を維持して周回移動することができる剛性を有している。第２上流側ローラ５５および第２下流側ローラ５６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２上流側ローラ５５および第２下流側ローラ５６に所定のベルトテンションで巻き掛けられた第２ベルト５２は、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との間における相互に対向する周回移動域をそれぞれ走行する２か所のベルト周回部分が、テンションが加わる前の自然状態に戻ろうとする力（復元力）により、第２上流側ローラ５５および第２下流側ローラ５６の共通接線Ｌ１よりも外側に同じ突出量（撓み量）δでそれぞれ外側に突出した湾曲状態で走行する。

第１ベルト５１および第２ベルト５２は、相互に離間した状態では、図３（ａ）に示すように、それぞれ同様の楕円形状になっていることから、それぞれの周方向の長さＢ１およびＢ２は等しく、Ｂ１およびＢ２は、それぞれ、第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４の２本の共通接線Ｌ１の長さと、第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４の周方向長さの半分の長さとをそれぞれ加えた長さよりも長くなっている。共通接線Ｌ１の長さは、第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４の軸間距離Ｄに等しいことから、第１ベルト５１の周方向の長さＢ１は、Ｂ１＞２Ｄ＋２πｒ／２＋２πｒ／２、すなわち、Ｂ１＞２Ｄ＋２πｒの関係になっている。第２ベルト５２の周方向の長さＢ２も、第１ベルト５１の周方向の長さＢ１に等しいことから、Ｂ２＞２Ｄ＋２πｒの関係になっている。

定着装置５０では、図３（ａ）に示すように、相互に離間されていることによって楕円形状で周回移動する状態の第１ベルト５１および第２ベルト５２を、図３（ｂ）に示すように、相互に対向するベルト周回部分同士が相互に圧接されて、相互に圧接されたベルト周回部分が平坦面になるまで変形している。この場合、第１上流側ローラ５３および第２上流側ローラ５５が、同じＹ座標位置を維持して、相互に所定の圧力で、第１ベルト５１および第２ベルト５２を介して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上流側ニップ部が形成されている。第１下流側ローラ５４および第２下流側ローラ５６も、同じＹ座標位置を維持して、相互に所定の圧力で、第１ベルト５１および第２ベルト５２を介して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ている。本実施形態では、上流側ニップ部および下流側ニップ部のそれぞれのニップ圧が等しくなっている。

このように、第１上流側ローラ５３と第１下流側ローラ５４との間において湾曲状態で走行可能な第１ベルト５１の一方のベルト周回部分と、第２上流側ローラ５５と第２下流側ローラ５６との間において湾曲状態で走行可能な第２ベルト５２の一方のベルト周回部分とが相互に圧接されることによって、図４に示すように、第１ベルト５１および第２ベルト５２の相互に圧接されたベルト周回部分に、第１ベルト５１自体の剛性による圧力Ｐ３と、第２ベルト５２自体の剛性による圧力Ｐ４とが加わる。これにより、相互に圧接されたベルト周回部分では、外側への突出量δがそれぞれ小さくなるのに対して、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ベルト周回部分とは反対側に位置する非圧接状態にあるそれぞれのベルト周回部分は、それぞれ外側への突出量δが大きくなった変形状態で周回移動する。従って、非圧接状態にあるそれぞれのベルト周回部分は、離間状態になっている場合の第１ベルト５１および第２ベルト５２の周回移動域に比べて外側に大きく突出した状態になっている。本実施形態においては、第１ベルト５１自体の剛性による圧力Ｐ３と、第２ベルト５２自体の剛性による圧力Ｐ４とが等しく、第１ベルト５１および第２ベルト５２のそれぞれにおける相互に圧接されたベルト周回部分では突出量δ＝０になっており、上流側ニップ部から下流側ニップ部までの全域にわたって、第１ベルト５１および第２ベルト５２の相互に圧接されたそれぞれのベルト周回部分が平坦になった中間ニップ部が形成されている。

このように、中間ニップ部では、第１ベルト５１による剛性による圧力Ｐ３と、第２ベルト５２による剛性による圧力Ｐ４との両方によって相互に対向するベルト周回部分同士が相互に圧接されていることから、高いニップ圧が形成されている。本実施形態における定着装置５０における定着ニップでのニップ圧の分布を図５に示す。中間ニップ部におけるニップ圧は、上流側ニップ部および下流側ニップ部よりも低いニップ圧ではあるが、上流側ニップ部および下流側ニップ部の１／２程度のニップ圧が全体にわたって確保されている。このような構成によって、第２ベルト５２が、第１ベルト５１に追従して、図２に矢印Ｎで示す方向に周回移動する。

第１ベルト５１および第２ベルトは、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いる。基材の厚さとしては、例えば、２０〜４００μｍ、より好ましくは１００〜２００μｍとすることができる。この基材は、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。基材の表面（外周面）には、ＰＦＡ、ＰＴＦＡ、ＥＴＦＡ等のフッ素系の樹脂、シリコン系のゴム等のチューブを積層した表層を設けて離型性を付与してもよい。表層は導電性であってもよい。表層は、基材にコーティング処理することによって形成してもよい。表層の厚さは５〜１００μｍ程度が望ましい。表層としては、例えば、三井・デュポンフロロケミカル株式会社製の商品名「ＰＦＡ３５０−Ｊ」、「４５１ＨＰ−Ｊ」、「９５４１ＨＰ Ｐｌｕｓ」等のフッ素系樹脂が好適に用いられる。また、基材と表層との間に中間層を設けてもよい。中間層としては、シリコーンゴム、フッ素ゴム等のように、弾性を有する耐熱性の高い材質であることが好ましい。第１ベルト５１は、第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４に巻き掛けられない状態では、外径が３０〜１５０ｍｍ程度の円筒であることが好ましい。第２ベルト５２も、同様に、第２上流側ローラ５５および第２下流側ローラ５６に巻き掛けられない状態では、外径が３０〜１５０ｍｍ程度の円筒であることが好ましい。

第１ベルト５１および第２ベルト５２は、ヤング率をＥ（ｍＮ／ｍｍ^２）、ベルトテンションを加えない状態での円筒形状における横断面の外径φ（ｍｍ）、厚さをｔ（ｍｍ）とすると、それぞれの次の関係を有していることが好ましい。
Ｅ・ｔ／φ≦２００００００（ｍＮ／ｍｍ^２） ・・・（１）
第１ベルト５１および第２ベルト５２は、ヤング率Ｅおよび厚さｔが大きくなると、楕円形に変形させるために大きなベルトベルトテンションが必要になるが、円筒形状の外径が大きくなると楕円形状に変形させることが容易になる。このことから、第１ベルト５１および第２ベルト５２を所望の楕円形状に変形させるためには、上記（１）式の関係を有していることが好ましい。２００００００ｍＮ／ｍｍ^２の値は実験的に求めたものである。

また、長軸方向の長さＬｍｍ、突出量δｍｍの楕円形状に変形された第１ベルト５１の湾曲状態になったベルト部分を第２ベルト５２のベルト部分に圧接させることによって第２ベルト５２に加わる押圧荷重Ｗは、梁の撓み量の計算式に基づいて、次式（２）によって求められる。ただし、ｂは、ベルト幅（ｍｍ）である。
Ｗ＝１０００・３８４・Ｅ・ｂ・ｔ^３・δ／１２・Ｌ^３ ・・・（２）
このことから、第１ベルト５１の単位幅当たりの押圧荷重Ｗ／ｂ（ｍＮ／ｍｍ）は、次式（３）になる。

Ｗ／ｂ＝１０００・３８４・Ｅ・ｔ^３・δ／１２・Ｌ^３ ・・・（３）
定着装置では、定着ニップにおけるニップ圧を増加させることによって、トナー画像を溶融させるための定着温度を低くできることが知られている。図６の表は、図２に示す定着装置５０によって、トナー画像（湿式造粒法によって体積平均粒径約６．５μｍのトナーを使用）を普通紙に定着させる場合に、第１ベルト５１による押圧荷重Ｗ／ｂ（ｍＮ／ｍｍ）と定着温度との関係を示している。図６の表によれば、第１ベルト５１による単位幅当たりの押圧荷重Ｗ／ｂ（ｍＮ／ｍｍ）の値が１以上になると、定着温度２２０℃よりも低い１９０℃の定着温度で、トナー画像をトナー剥離が生じることのない良好な定着性で定着させることができる。また、押圧荷重Ｗ／ｂ（ｍＮ／ｍｍ）の値が１０以上になると、加圧力が大きくなった分、さらに低い１７０℃以上の定着温度で、良好な定着性でトナー画像を定着させることができる。さらには、押圧荷重Ｗ／ｂ（ｍＮ／ｍｍ）の値が１００以上になると、さらに低い１５０℃の定着温度で、良好な定着性でトナー画像を定着させることができる。従って、楕円形状の第１ベルト５１の単位幅当たりの押圧荷重Ｗ／ｂ（ｍＮ／ｍｍ）が１以上になれば、１９０℃程度の定着温度に設定でき、１０以上になることによりさらに定着温度を下げることでウォームアップ時間を短縮することができ、１００以上になることによって、ウォームアップ時間を著しく短縮することができる。

第１ベルト５１および第１ベルト５２の厚さｔは、熱容量等を考慮すると、２０〜４００μｍ程度が好ましく、１００〜２００μｍ程度がより好ましい。第１ベルト５１および第１ベルト５２における単位幅当たりの押圧荷重Ｗ／ｂ（ｍＮ／ｍｍ）の値は大きいほど好ましいことから、ヤング率Ｅが高い基材が好ましく、具体的には、ヤング率Ｅが１００，０００Ｎ／ｍｍ^２以上の基材を用いることが好ましい。

このような構成の定着装置５０では、２次転写部４６におい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とによって所定の高いニップ圧Ｐ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、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て平坦になったベルト周回部分の間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Ｐ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、図５に示すように、中間ニップ部では、その全域にわたってほぼ一定の比較的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、画像ずれが生じることが抑制される。また、中間ニップ部において比較的高いニップ圧が加えられることによって、記録シートＳが振動することも抑制され、下流側ニップ部において記録シートＳにしわが発生することも抑制される。さらには、剛性を有する第１ベルト５１および第２ベルト５２によって高いニップ圧の中間ニップ部が形成されていることから、ニップ圧を確保するための特別な部材を設ける必要がない。このために、定着装置５０の熱容量が増加するおそれがなく、定着ニップ部を所定温度にまで上昇させるためのウォーミング時間を短縮させることができ、省エネルギー化を促進することができる。

なお、本発明の定着装置５０は、上記実施の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２下流側ローラ５４との間にのみヒータランプ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配置してもよい。この場合、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等の加熱手段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等の加熱手段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。

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、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、上記の実施形態では、第１下流側ローラ５４を回転駆動させることによって第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になっているが、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とを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。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５６のそれぞれとを対向配置する構成に限らず、ニップ圧を確保できる構成であれば、第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４のそれぞれの内側、または、それぞれの外側に、第２上流側ローラ５５および第２下流側ローラ５６のそれぞれを配置する構成であってもよい。また、４本のローラの外径は任意に変更できる。

さらに、第１ベルト５１と第２ベルト５２とを離間した状態のときに、それぞれが楕円形状の周回移動域を形成する構成に限らず、第１上流側ローラ５３および第１下流側ローラ５４の間、第２上流側ローラ５５および第２下流側ローラ５５の間のそれぞれにおいて、外側に突出した湾曲状態になる剛性を有していればよい。また、第１ベルト５１および第２ベルト５２は、同じ剛性を有する構成に限らず、異なる剛性を有していてもよい。

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、また、ウォーミングアップ時間を短縮することができる。

本発明の実施の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。 そのプリンタに設けられた本発明の実施の形態に係る定着装置の構成を示す断面模式図である。 （ａ）は、その定着装置の構成を説明するために、第１ベルトと第２ベルトとを離間させた状態の模式図、（ｂ）は、第１ベルトと第２ベルトとを相互に圧接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ベルトとの相互に圧接されたベルト周回部分に圧力が加わった状態を説明するための模式図である。 その定着装置における第１ベルトと第２ベルトとの間の定着ニップのニップ圧の分布を示すグラフである。 その定着装置における第１ベルトおよび第２ベルトの単位幅当たりの押圧荷重Ｗ／ｂ（ｍＮ／ｍｍ）と定着温度との関係示す表である。 従来の定着装置の概略構成を示す断面模式図である。 従来の定着装置における一対のベルの間の定着ニップのニップ圧の分布を示すグラフである。

符号の説明

３０ 画像形成部
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 定着部
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

Claims (6)

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該記録シートに熱定着させる定着装置であって、
   前記第１ベルトおよび第２ベルトは、相互に離間した状態としたとき、前記一対の第１ローラの間および第２ローラの間のそれぞれにおいて、それぞれのベルト周回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、
   定着動作時において、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ベルトおよび前記第２ベルトを介して相互に押圧されて、前記第１ベルトにおける対向する２つのベルト周回部分の一方と、前記第２ベルトにおける対向する２つのベルト周回部分の一方とが圧接されており、
   定着動作時において、前記第１ベルトおよび第２ベルトは、非圧接状態にある他方のベルト周回部分が、前記第１ベルトおよび第２ベルトが離間した状態におけるときに比べて、自らの剛性によって外側に大きく突出した状態で周回移動することを特徴とする定着装置。
2. 前記第１ベルトおよび第２ベルトは、相互に圧接されたそれぞれのベルト周回部分が平坦になっ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における前記一対の第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または２に記載の定着装置。
4. 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３に記載の定着装置。
5. 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または２に記載の定着装置。
6. 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１〜５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。

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