JP5556343B2 - 定着装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、定着ベルトと加圧部材間のニップ部において記録媒体を加熱加圧することによって記録媒体上の形成画像に対する定着を行う定着装置、および該定着装置を備える画像形成装置に関する。

従来、電子写真方式を利用した画像形成装置は広く知られている。その画像形成プロセスは、像担持体である感光体ドラムの表面に静電潜像を形成し、感光体ドラム上の静電潜像を現像剤であるトナーによって現像して可視像化し、現像された画像を転写装置により記録媒体に転写してトナー像を担持させる。その後、記録媒体上の未定着のトナー像を定着装置によって加圧／加熱し、記録媒体上のトナー像を定着するものである。

定着装置には、対向するローラまたはベルトあるいはそれらの組み合わせにより構成された定着回転体が設けられており、記録媒体である記録紙をニップ部にて挟み込み、加圧／加熱して、トナー像を記録紙上に定着する。

この種の定着装置には、従来より各種方式のものがある。

図１６は従来のベルト定着方式の定着装置を示す概略構成図であって、ベルト定着方式の定着装置は、加熱ヒータ２０１を有する加熱ローラ２０２と、表層にゴム層が設けられた定着ローラ２０３と、加熱ローラ２０２と定着ローラ２０３とに架設された定着ベルト２０４と、定着ベルト２０４を介して定着ローラ２０３に圧接して定着ニップＮを形成する加圧ローラ２０５とを具備するものである。

そしてトナー像が転写された記録媒体の記録紙Ｐが、定着ベルト２０４と加圧ローラ２０５間の定着ニップＮに搬送されると、記録紙Ｐが定着ニップＮを通過する過程において記録紙Ｐ上のトナー像が加熱および加圧されて、記録紙Ｐに定着される。

図１７は従来のフィルム加熱方式の定着装置を示す概略構成図であって、フィルム加熱方式の定着装置は、特許文献１に記載されているように、一般的に、セラミックヒータ２１１と加圧ローラ２１２との間に、耐熱性フィルム（定着ベルト）２１３を挟むようにして定着ニップＮを形成する構成のものである。

そして、定着ニップＮの耐熱性フィルム２１３と加圧ローラ２１２との間に記録紙を導入して、記録紙を挟持して耐熱性フィルム２１３と共に搬送させる。このとき、定着ニップＮにおいて、記録紙に対してセラミックヒータ２１１からの熱が耐熱性フィルム２１３を介して加えられ、かつ加圧されて、記録紙上のトナー像が定着される。

前記フィルム加熱方式の定着装置は、セラミックヒータと、フィルムからなる低熱容量の部材を用いてオンデマンドタイプの装置を構成することができると共に、画像形成装置の画像形成実行時のみ、セラミックヒータに通電して所定の定着温度に発熱させた状態にすればよく、画像形成装置の電源オンから画像形成実行可能状態までの待ち時間が短く、かつスタンバイ時の消費電力も大幅に小さいなどの利点がある。

また、特許文献２に記載されているような加圧ベルト方式の定着装置では、表面が弾性変形する回転可能な加熱定着ロールと、加熱定着ロールに接触したまま走行可能なエンドレスベルトと、エンドレスベルトの内側に非回転状態で配置され、エンドレスベルトを加熱定着ロールに圧接させてドレスベルトと加熱定着ロールとの間に記録紙が通過するベルトニップを設ける加圧パッドとを備えている。

前記加圧ベルト方式の定着装置によれば、加圧パッドの押圧により加熱定着ロールの表面を弾性変形させ、用紙と加熱定着ロールとの接触面積を広げることにより、熱伝導効率を大幅に向上させ、エネルギー消費を抑制すると同時に小型化を実現することが可能となる。

しかし、前記従来技術において、特許文献１に記載されているフィルム加熱方式の定着装置では、定着ベルト（耐熱性フィルム）の耐久性と温度の安定性とに問題があった。

すなわち、セラミックヒータと、耐熱性フィルムからなる定着ベルトとの摺動面の耐磨耗性が不十分であり、長時間運転すると連続摩擦を繰り返す面が荒れて摩擦抵抗が増大し、定着ベルトの走行が不安定になるか、もしくは、定着装置の駆動トルクが増大するなどの現象が生じる。

その結果、画像を形成する記録紙のスリップが生じて形成画像のずれが生じる。あるいは、駆動ギヤに加わる応力が増大し、ギヤの破損を引き起こすという不具合が発生する。

また、フィルム加熱方式の定着装置では、定着ベルトを定着ニップにおいて局所的に加熱しているため、回転する定着ベルトが定着ニップの入口に戻ってくる際に、ベルト温度は最も冷えた状態になり、特に、高速回転を行う場合、定着不良が生じやすいという問題がある。

前記のようなセラミックヒータなどの固定部材と定着ベルトとの摺動性の問題を改善する手段として、特許文献２には、圧力パッドの表層に低摩擦シート（シート状摺動材）としてＰＴＦＥ（Polytetrafluoroethylene）を含浸させたガラス繊維シート（ＰＴＦＥ含浸ガラスクロス）を用いる方法が記載されている。

しかし、特許文献２，３に記載の加圧ベルト方式の定着装置では、定着ローラの熱容量が大きく昇温が遅いため、ウォームアップにかかる時間が長いという問題がある。

そこで、前記構成の定着装置の問題を解決するため、本発明者らは特許文献４に記載の構成の定着方式を提案した。しかしながら、特許文献４に記載の定着方式には、定着ベルトを回転駆動する際の駆動力が大きいという課題がある。

特許文献４に記載の定着方式では、前記フィルム加熱方式や前記加圧ベルト方式と異なり、定着ベルト内部の略全域を、定着ベルトに近接するように設置されたパイプ状金属体がガイドし、このパイプ状金属体を介して定着ベルトに熱が加えられるように構成されている。

したがって、定着ベルトは、回転する際に、パイプ状金属体に摺接して負荷抵抗を受ける。すなわち、フィルム加熱方式や加圧ベルト方式に比べて、定着ベルト内面の摺動面積が大きく、定着ベルトを回転させる際の駆動力が大きくなってしまう。

ベルト駆動力が大きいと、それよりも大きな出力を出す駆動モータが必要になり、装置の小型化の妨げになったり、動作時の消費電力が増大したりするという課題が生じる。

また、定着ベルトが加圧ローラの連れ回りによって回転する構成の場合には、定着ベルトの回転負荷が大きいと、加圧ローラの表層に大きなせん断力が与え続けられることになり、加圧ローラの経時劣化や、定着ベルトのスリップなどが発生するという不具合も生じる。

本発明は、前記従来の技術の課題を解消し、定着ベルトの駆動力を低減させることなく、良好な加熱が行われる定着装置、および該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。

前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、可撓性の無端ベルトからなる定着ベルトと、該定着ベルトを加熱する加熱部材と、前記定着ベルト内部に設けられたニップ形成部材と、前記定着ベルトを介して前記ニップ形成部材に圧接する加圧部材とを備え、前記定着ベルトと前記加圧部材間に定着ニップを形成し、前記加圧部材と共に前記定着ベルトが周方向に移動し、前記定着ニップに定着対象の記録媒体が搬送される構成の定着装置において、前記定着ベルト内面に沿うように固定され、前記定着ベルト内面と摺動して該定着ベルトの移動案内を行うと共に前記定着ベルトに熱を伝える熱伝導部材を備え、該熱伝導部材の表面に複数の凸形状部を設け、各凸形状部の突出高さが前記定着ベルトの回転方向において前記定着ニップに向かって順に低くなるように設定されていることを特徴とする。この構成によって、凸形状部の定着ベルトが回転する際の熱伝導部材との摺動抵抗が減じられる。しかも、各凸形状部の突出高さが、定着ベルトの回転方向において定着ニップに向かって順に低くなるように設定されていることによって、摺動抵抗が減じられると共に、熱伝導部材から定着ベルトへの熱の移動が効率よく行われ、ウォームアップ時間の短縮化を図ることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の定着装置において、前記定着ベルトが前記加圧部材の回転力により連れ回され、前記加圧部材による前記定着ベルトに対する引っ張り方向となる側における前記熱伝導部材の側面に、前記凸形状部を設けたことを特徴とし、この構成によって、回転時には巻き付き側に強く摺擦するので、凸形状部により昇温時間を妨げることなく、摺動抵抗を減じることができる。また、回転停止時には、自重により（回転時の緩み側の）定着ベルト内面が熱伝導部材に面接触するようになる。この際、緩み側に凸形状部がないため定着ベルトとの接触面積を大きくすることができて、静止加熱時の熱伝導を良好にすることができる。このとき定着ベルトは静止しているので、回転時の負荷抵抗はなく、凸形状部による前記対流も生じない。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載の定着装置において、凸形状部は、定着ニップに対して定着ベルトの回転方向上流側に設けられていることを特徴とし、この構成によって、回転時の負荷低減化と、静止時の予熱待機の効率化を両立することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３いずれか１項記載の定着装置において、熱伝導部材における凸形状部のみに、低摩擦コート層を設けたことを特徴とし、この構成によって、凸形状部頂点の摺動負荷が低減すると共に、凸形状部の削れを防止することができる。一方、凸形状部以外の熱伝導部材表面では、コート層による熱抵抗が存在しないので、熱伝達効率が向上する。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４いずれか１項記載の定着装置において、前記凸形状部の頂点部分の肉厚を、前記熱伝導部材のうち前記凸形状部が設けられていない部分の肉厚よりも薄くしたことを特徴とし、凸形状部の頂点では定着ベルトとの摺接により絶えず熱が奪われるが、凸形状部の頂点部分の肉厚が薄いため、熱伝導部材の内面に与えられた熱が表面に到達する際の熱抵抗が少なくなり、定着ベルトの加熱が阻害されることがなくなる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５いずれか１項記載の定着装置において、定着ベルトと熱伝導部材間に潤滑剤を介在させ、かつ熱伝導部材の凸形状部に潤滑剤溜りの凹部を設けたことを特徴とし、この構成によって、凸形状部における摺動性が向上する。また凸形状部は経時的に極微量削られていくが、このとき同時に、凹部内の潤滑剤が供給されることになり、摺動性を向上させることができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６いずれか１項記載の定着装置において、熱伝導部材を金属製パイプ材から形成したことを特徴とし、この構成によって、定着ベルトの保持の安定性，耐久性，熱伝達効率が向上する。

請求項８に記載の発明は、請求項１〜７いずれか１項記載の定着装置において、加熱部材が熱伝導部材の内部に設置され、該熱伝導部材を介して定着ベルトを加熱することを特徴とし、この構成によって、部材の内部にて加熱することにより、加熱効率を向上させることができる。

請求項９に記載の発明は、請求項８記載の定着装置において、加熱部材は、ハロゲンヒータであることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項１〜７いずれか１項記載の定着装置において、加熱部材が定着ベルトの外部に設置され、該熱伝導部材を介して定着ベルトを加熱することを特徴とし、この構成によって、定着ベルトの内部構造、および加熱部材の配置構造を簡単にすることができる。

請求項１１に記載の発明は、請求項１０記載の定着装置において、加熱部材が、励磁コイルを備える誘導加熱部であることを特徴とする。

請求項１２に記載の発明は、記録媒体に対して画像を形成する画像形成部と、該画像形成部にて画像が形成された記録媒体に対して定着処理を行う定着部とを備えた画像形成装置において、前記定着部として請求項１〜１１いずれか１項記載の定着装置を搭載したことを特徴とし、この構成によって、良好で安定した定着処理による高品位の画像形成が行われる。

本発明に係る定着装置によれば、熱伝導部材の表面に複数の凸形状部を設けたことにより、凸形状部の定着ベルトが回転する際の熱伝導部材との摺動抵抗が減じられ、定着ベルトの駆動力を低減させることなく、良好な加熱が行われる。

また、本発明に係る定着装置を搭載した画像形成装置によれば、良好な定着処理による高品位で効率的な画像形成が実現する。

本発明の実施形態を説明するための画像形成装置全体の概略構成図 本発明の定着装置の実施形態における要部を示す正面断面図 本実施形態における支持構造を示す側面図 本実施形態における実施例１の熱伝導部材部分を拡大して示す構成図 本実施形態における熱伝導部材部分を展開して示す平面図 本実施形態における熱伝導部材の実施例２を説明するための構成図 本実施形態における凸形状部の気流の問題を説明するための拡大断面図 本実施形態における凸形状部の拡大断面図 本実施形態における凸形状部の設置構成の説明図 本実施形態における凸形状部の設置構成の説明図 本実施形態における凸形状部の変形例を示す拡大断面図 本実施形態における凸形状部の変形例を示す拡大断面図 本実施形態における凸形状部の変形例を示す拡大断面図 本実施形態における加熱部材の他例を示す断面図 本実施形態における熱伝達部材における問題点の説明図 従来の定着装置を示す概略構成図 従来の他の定着装置を示す概略構成図

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は本発明の実施形態を説明するための画像形成装置全体の概略構成図である。本例では画像形成装置としてタンデム型カラープリンタを示す。

図１において、画像形成装置本体１の上方に設置されたボトル収容部１０１には、各色（イエロー，マゼンタ，シアン，ブラック）に対応した４つのトナーボトル１０２Ｙ，１０２Ｍ，１０２Ｃ，１０２Ｋが着脱自在（交換自在）に設置されている。

ボトル収容部１０１の下方には中間転写ユニット８５が配設されている。中間転写ユニット８５に設置された中間転写ベルト７８に対向するように、各色（イエロー，マゼンタ，シアン，ブラック）に対応した作像部４Ｙ，４Ｍ，４Ｃ，４Ｋが並設されている。

各作像部４Ｙ，４Ｍ，４Ｃ，４Ｋには、それぞれ感光体ドラム５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋが配設されている。また、各感光体ドラム５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋの周囲には、それぞれ、帯電部７５，現像部７６，クリーニング部７７，除電部（図示せず）などが配設されている。そして、各感光体ドラム５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋは回転し、各感光体ドラム５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋ上に対して、下記の作像プロセス（帯電工程，露光工程，現像工程，転写工程，クリーニング工程）が行われて、各感光体ドラム５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋ上に各色の画像が形成される。

以下に感光体ドラム５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋに対する作像プロセスについて説明する。

感光体ドラム５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋは、図示しない駆動モータによって、図１において時計方向に回転駆動される。そして、帯電部７５（図１には感光体ドラム５Ｋに対応したもののみを示している）において感光体ドラム５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋの表面が一様に帯電される（帯電工程）。

帯電された後、感光体ドラム５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋの表面は、露光部３から発せられるレーザ光により照射・露光され、各色に対応した静電潜像が形成される（露光工程）。潜像が形成された感光体ドラム５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋは、現像装置７６（図１には感光体ドラム５Ｋに対応したもののみを示している）により静電潜像がトナー現像されて、各色のトナー像が形成される（現像工程）。

感光体ドラム５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋ上のトナー像は、中間転写ベルト７８および第１転写バイアスローラ７９Ｙ，７９Ｍ，７９Ｃ，７９Ｋにより、中間転写ベルト７８上に転写される（１次転写工程）。このようにして中間転写ベルト７８上に重ねてトナー像が転写されることにより、中間転写ベルト７８上にカラー画像が形成される。

前記転写の後、感光体ドラム５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋは、クリーニング部７７（図１には感光体ドラム５Ｋに対応したもののみを示している）に達して、感光体ドラム５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋの表面に残存した未転写トナーがクリーニング部７７のクリーニングブレードによって機械的に回収される（クリーニング工程）。この後、除電部により感光体ドラム５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋの表面の残留電位が除去される。

こうして、感光体ドラム５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋに対する一連の作像プロセスが終了する。

次に、中間転写ベルト７８上で行われる一連の転写プロセスについて説明する。

中間転写ユニット８５は、無端状の中間転写ベルト７８と、４つの１次転写バイアスローラ７９Ｙ，７９Ｍ，７９Ｃ，７９Ｋと、２次転写バックアップローラ８２と、クリーニングバックアップローラ８３と、テンションローラ８４と、中間転写クリーニング部８０などにより構成されている。

中間転写ベルト７８は、２次転写バックアップローラ８２とクリーニングバックアップローラ８３とテンションローラ８４とに張架・支持され、２次転写バックアップローラ８２の回転駆動によって、図１における矢印方向に移動される。

１次転写バイアスローラ７９Ｙ，７９Ｍ，７９Ｃ，７９Ｋは、それぞれ中間転写ベルト７８を感光体ドラム５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋとで挟み込むようにして１次転写ニップを形成している。１次転写バイアスローラ７９Ｙ，７９Ｍ，７９Ｃ，７９Ｋには、トナーの極性とは逆の転写バイアスが印加される。

中間転写ベルト７８は、矢印方向に走行して、中間転写ベルト７８と感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋ間の１次転写ニップを順次通過する。こうして感光体ドラム５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋ上の各色のトナー像が、中間転写ベルト７８上に重ねて１次転写が行われる。

１次転写後、中間転写ベルト７８は２次転写ローラ８９との対向位置に達する。この位置で２次転写バックアップローラ８２は、２次転写ローラ８９とで中間転写ベルト７８を挟み込むようにして２次転写ニップを形成している。２次転写ニップにおいて、中間転写ベルト７８上に形成されている４色のトナー像が、搬送されてくる記録媒体Ｐ上に転写される。転写後、中間転写ベルト７８は、中間転写クリーニング部８０に達して、中間転写ベルト７８上の未転写トナーが回収される。

こうして、中間転写ベルト７８上で行われる一連の転写プロセスが終了する。

ここで、２次転写ニップの位置に搬送される記録媒体Ｐは、画像形成装置本体１の下方に配設された給紙部１２から、給紙ローラ９７およびレジストローラ９８を経由して搬送されるものである。

すなわち、給紙部１２には、転写紙などの記録媒体Ｐが複数枚重ねて収納される。そして、給紙ローラ９７が図１において反時計方向に回転駆動されると、最上位の記録媒体Ｐから順にレジストローラ９８に給送される。

レジストローラ９８に搬送された記録媒体Ｐは、回転駆動を停止したレジストローラ９８のローラニップの位置で一旦停止する。そして、中間転写ベルト７８上のトナー像にタイミングを合わせて、レジストローラ９８が回転駆動されることにより、記録媒体Ｐが前記２次転写ニップに向けて搬送される。このようにして、記録媒体Ｐ上にトナー像が転写される。

２次転写ニップでカラー画像が転写された記録媒体Ｐは定着装置２０に搬送される。そして、記録媒体Ｐは、定着装置２０において定着ベルト２１と加圧ローラ３１による加熱および加圧を受けて、表面に転写されたトナー像が記録媒体Ｐ上に定着される。

その後、記録媒体Ｐは、排紙ローラ９９を経て装置本体１外へと排出され、スタック部１００上に順次スタックされる。

図２は本発明の定着装置の実施形態における要部を示す正面断面図である。

図２において、定着装置２０内に、定着部材としての無端状のベルト状部材からなる定着ベルト２１と、定着ベルト２１内に設けられたパイプ状の熱伝導部材２２と、加熱部材であるハロゲンヒータ２５と、定着ベルト２１に接して表面温度を検知する温度センサであるサーミスタ２８と、定着ベルト２１と接して定着ニップＮを形成する加圧部材としての加圧ローラ３１などにより構成されている。

熱伝導部材２２は、定着ニップＮに対向する位置に凹部２２ａが形成され、凹部２２ａに、ニップ形成部材２６と、定着ベルト２１とニップ形成部材２６の間に配されたメッシュ状の潤滑シート２３と、熱伝導部材２２の凹部２２ａ底部とニップ形成部材２６の間に配された断熱材２７とが配設されている。

ニップ形成部材２６は、シリコーンゴム、フッ素ゴムなどの弾性体から構成されており、定着ベルト２１の内面に対して摺動シート２３を介して間接的に摺動するようになっている。なお、ニップ形成部材２６が定着ベルト２１の内面に直接摺動する構成であってもよい。

熱伝導部材２２の凹部２２ａの形状としては、この形状に限定されず、平坦形状やその他の形状であってもよい。ただし、凹形状にした方が、記録媒体Ｐ先端の排出方向が加圧ローラ３１よりになり、定着ベルト２１からの分離性が向上するため、ジャムの発生が抑制される。

加圧ローラ３１は、中空の金属ローラにシリコーンゴム層が設けられ、外表面に離型性を得るために離型層（ＰＦＡ樹脂層またはＰＴＦＥ樹脂層）が設けられている。

また、加圧ローラ３１は、画像形成装置に設けられたモータなどの駆動源からギヤ列などを介して駆動力が伝達され回転駆動される。さらに、加圧ローラ３１は、スプリングなどにより定着ベルト２１側に押し付けられており、加圧ローラ３１のゴム層が押し潰されて変形することにより，定着ニップＮにおいて所定のニップ幅が形成される。

加圧ローラ３１は、中実のローラから形成してもよいが、中空の方が熱容量が少なくて好ましい。また、加圧ローラ３１にハロゲンヒータなどの加熱源を設けるようにしてもよい。

加圧ローラ３１におけるシリコーンゴム層はソリッドゴムでもよいが、加圧ローラ３１内部にヒータなどの加熱源がない場合は、スポンジゴムを用いてもよい。スポンジゴムの方が断熱性が高まり、定着ベルト２１の熱が加圧ローラ３１に伝導し難くなるため望ましい。

定着ベルト２１は、ニッケルやステンレスなどの金属ベルトや、ポリイミドなどの樹脂材料を用いた無端ベルト（もしくはフィルム）とする。定着ベルト２１の表層はＰＦＡ樹脂層またはＰＴＦＥ樹脂などの離型層を有し、記録媒体Ｐ上のトナーが付着しないように離型性をもたせている。

また、定着ベルト２１の基材とＰＦＡ樹脂層（またはＰＴＦＥ樹脂）との間には、シリコーンゴム層などの弾性層を形成するようにしてもよい。シリコーンゴム層がない場合は熱容量が小さくなり、定着性が向上するが、未定着トナー画像を押し潰してしまい、定着の際に定着ベルト２１の表面の微妙な凹凸が画像に転写されて、画像のベタ部にユズ肌状の跡が残るという不具合が生じる。これを改善するには、シリコーンゴム層を１００μｍ以上設ける必要がある。シリコーンゴム層の変形により、微妙な凹凸が吸収されユズ肌画像が改善する。

中空の熱伝導部材２２は材質としてアルミ，鉄，ステンレスなどのパイプ状金属を用いる。本実施形態の熱伝導部材２２は、定着ベルト２１の直径より１ｍｍ程度直径の小さい円形としている。しかし、定着ベルト２１の断面形状としては、円形に限定されず、角型であっても、その他の断面形状であってもよい。

熱伝導部材２２の凹部２２ａの内部には、ニップ部形成部材２６と断熱材２７が収納されており、熱伝導部材２２の内部には、これらを支持するための保持部材３０が設けられている。この場合、ハロゲンヒータ２５などからの輻射熱などにより、保持部材３０が加熱されてしまう場合、保持部材３０の表面に断熱処理あるいは鏡面処理を施して、過熱されることを防止する。これにより無駄なエネルギー消費を抑制することができる。

また、熱伝導部材２２を昇温させる熱源としては、図示したハロゲンヒータ２５でもよいが、後述するようなＩＨ（誘導加熱）方式にしてもよい。さらに、抵抗発熱体やカーボンヒータなども使用することができる。

定着ベルト２１の加熱方法としては、図２に示すように、熱伝導部材２２を介して定着ベルト２１を加熱する以外に、定着ベルト２１を直接的に加熱するようにしてもよい。

定着ベルト２１は加圧ローラ３１により連れ回り回転する。図２に示す構成の場合は、加圧ローラ３１が図示しない駆動源により回転し、定着ニップＮで定着ベルト２１に駆動力が伝達されることによって定着ベルト２１が回転する。

定着ベルト２１は、定着ニップＮにおいてニップ部形成部材２６と加圧ローラ３１とで挟み込まれて回転するが、定着ニップＮ以外では熱伝導部材２２に移送ガイドされて、一定の距離以上に定着ベルト２１の位置が熱伝導部材２２から離れてしまわないようになっている。

定着ベルト２１と熱伝導部材２２との界面には、シリコーンオイルやフッ素グリスなどの潤滑剤を介在させている。そして、熱伝導部材２２の表面の表面粗さを潤滑剤の粒径以上として、潤滑剤を保持しやすくしている。

熱伝導部材２２の表面を粗らす方法としては、サンドブラストのように物理的に粗らす方法や、エッチングのように化学的に粗らす方法、あるいは、小径ビーズを混ぜた塗料を塗布する方法などあるが、何れの方法も採用することができる。

本実施形態において、図３の側面図に示すように、前記各部材は定着装置２０の側板４３に設けられている。側板４３は、構成部材を支持する剛性が高い材質で、かつ位置決めの基準となっているものである。

加圧ローラ３１は、本例では直径が３０ｍｍであって、図２に示すように、中空構造の芯金３２上に弾性層３３を形成したものである。加圧ローラ３１の弾性層３３は、発泡性シリコーンゴム，シリコーンゴム，フッ素ゴムなどの材料で形成されている。なお、弾性層３３の表層にＰＦＡ，ＰＴＦＥなどからなる薄肉の離型層を設けることもできる。

加圧ローラ３１は、定着ベルト２１に圧接して定着ベルト２１との間に所望の定着ニップＮを形成する。また、図３に示すように、加圧ローラ３１には図示しない駆動機構の駆動ギアに噛合するギア４５が設置されており、加圧ローラ３１は、駆動機構により図２における矢印方向（時計方向）に回転駆動される。

また、加圧ローラ３１は、その幅方向両端部が定着装置２０の側板４３に軸受４２を介して回転自在に支持されている。なお、加圧ローラ３１の内部にハロゲンヒータなどの熱源を設けることもできる。

加圧ローラ３１の弾性層３３を発泡性シリコーンゴムなどのスポンジ状の材料で形成した場合には、定着ニップＮに作用する加圧力を減少させることができるために、保持部材２２に生じる撓みをさらに軽減することができ、さらに、加圧ローラ３１の断熱性が高められて、定着ベルト２１の熱が加圧ローラ３１側に移動しにくくなるために、定着ベルト２１の加熱効率が向上する。

また、本実施形態では、定着ベルト２１の直径が加圧ローラ３１の直径と略同等になるように形成したが、定着ベルト２１の直径が加圧ローラ３１の直径よりも小さくなるように形成することもできる。その場合、定着ニップＮにおける定着ベルト２１の曲率が加圧ローラ３１の曲率よりも小さくなるために、定着ニップＮから送出される記録媒体Ｐが定着ベルト２１から分離され易くなる。

図４は本実施形態における熱伝導部材の実施例１を説明するための関連部材を拡大して示す構成図である。

図４において、熱伝導部材２２は、径方向の断面形状を定着ベルト２１の引っ張り方向（図の矢印方向）の一側（図の下側）にのみ複数の凸形状部５０が形成され、かつ凸形状部５０の突出高さ（熱伝導部材２２における凸形状部５０が設けられていない部位から凸形状部５０の頂点までの高さ）ｈが定着ニップＮ方向に向かって順に低くなるように設定されている。

凸形状部５０の高さｈは、本例では最大で０．８ｍｍ程度とし、定着ニップＮに向けて順次低くしている。凸形状部５０の直径（頂点側から見た場合の凸形状部５０の直径ｄ：図５の平面図参照）は０．５〜２ｍｍ程度として、熱伝導部材２２の軸方向にも複数延在させている。このとき、熱伝導部材２２の周方向の同じ位置のみに凸形状が存在しないように、径方向および周方向にて、それぞれ互い違いに凸形状部５０を形成した。

本実施形態の熱伝導部材２２は、金属板を凸形状部５０部分と外形状とをプレス加工で型取りし、パイプ状に曲げることで前記形状のパイプ状金属体に形成したものである。凸形状部５０の高さはプレス加工の金型により適宜調整可能である。

次に、本実施形態の構成に関する考察、その実証実験などについて説明する。

本発明者らは、本実施形態の定着装置のように、加熱されたパイプ状金属体の熱伝導部材２２と定着ベルト２１の内面とが摺擦すると共に、熱伝導部材２２から定着ベルト２１に対して熱を伝える構成のものにおいて、昇温時間が短く、ウォームアップ時間を課題を解消し、かつ定着ベルトの駆動力を低減するための手段について、実験に基づき検討した。

通常、特許文献４に記載の定着装置のように、円形に加工されたパイプ状金属体（熱伝導部材）は定着ベルトと僅かなギャップを有しており、ニップ部に向けて楔状にギャップが狭まるような構成となっている。このとき、ニップ部が最も摺動抵抗が大きくなるが、ニップ部以外も定着ベルトが回転する際には、特に引張側が擦られるようになり、回転時の負荷を増大させる原因となっている。

特に、定着ベルトとパイプ状金属体の界面にグリスが存在している場合は、グリスの粘性抵抗により、抵抗が増大する（パイプ状金属体の表層に摺動コートを施しても、グリスとベルト内面の粘性抵抗は減らない）。

本発明者らは、前記課題を解決すべくパイプ状金属体の表層に複数の凸形状を設け、定着ベルト内面とパイプ状金属体との接触面積を減少させて、定着ベルトの回転抵抗を減じる方法について考察した。

まず、後述する本実施形態の実施例２と同様な構成であって、同じ高さの凸形状を形成したパイプ状金属体を用いた定着装置を構成して実験したところ、回転負荷が減じられた。

さらに、本発明者らは、凸形状をニップ部に向かって低くなるように形成した本実施形態の実施例１と同様な構成のパイプ状金属体で実験を行った。その結果、凸形状はベルト内面に略均等に接触し、また凸形状がベルトに対して点接触となり、ベルトの回転負荷も減じられ、さらには昇温時間も、凸形状を設けない場合と遜色がないという結果が得られた。これらの効果は、点接触部の接触熱伝導、および凸形状によってベルトと加熱用のパイプ状金属体間における対流が促進した結果と考えられる。

図６に示す本実施形態の実施例２である凸形状部５１の高さが均一の構成のものについて検討すると、この本実施形態の実施例２では、熱伝導部材２２において、定着ニップＮに近い部分の凸形状部５１は定着ベルト２１内面に接触（接触部Ａ）し、その他の部分では、凸形状部５１の頂点部と定着ベルト２１内面とが離れ、回転負荷が減じられることが分った。

しかし、本実施形態の実施例２では、定着ベルト２１から離れた凸形状部５１では、定着ベルト２１内面への接触がなく熱伝導が困難な状態になる。さらに、図７に示すように、定着ベルト２１の回転に対し、熱伝導部材２２との間の気流は、ベルト内面に近いほど流速が早く、そのほとんどが凸形状部５１の頂点と定着ベルト２１との間をすり抜けていく。よって、加熱効率が多少減少することも分った。

この点に関して、図４に示す本実施形態の実施例１を検証した結果、図８に示すように、定着ベルト２１の回転時、熱伝導部材２２との間の気流は凸形状と当接するようになり、対流が発生する。この対流により、加熱された熱伝導部材２２と定着ベルト２１との間で熱移動が発生する。よって、加熱効率が高まることが分った。

なお、本実施形態において、熱伝導部材２２は、径方向の断面形状を定着ベルト２１の引っ張り方向（図の矢印方向）の一側（図の下側）にのみ複数の凸形状部５０を形成する。このように、凸形状部５０は、定着ベルト２１の引っ張り側に設けた方が摺動抵抗の低減効果が高い。

加工上は図９（定着ベルトは省略してある）に示すように、定着ベルト２１の緩み側にも凸形状部５１を構成することが可能であるが、凸形状部５１の頂点が定着ベルト２１内面の全周で接触していると、定着ベルト２１内部に熱伝導部材２２を挿入する際、組立時に組付け難いので避けた方がよい。

また、加圧ローラ３１と定着ベルト２１が水平方向に隣接し、定着ニップが垂直に構成されている場合、特許文献４に記載の定着装置では、回転時は定着ベルト２１の下部がパ熱伝導部材２２に巻き付くように接触するが、静止時は自重によって定着ベルト２１の上部が熱伝導部材２２に接触するようになる。

すなわち、定着ベルト２１の回転時において引っ張り側に凸形状部５０が存在していれば、緩み側では凸形状部を設置しなくてもよく、また、静止時に加熱しながら待機する場合に、熱伝導部材２２と定着ベルト２１内面がより多くの接触面積を取ることができるため、熱的には定着ベルト２１の上部側には凸形状部５０がない方がよい。

これらのことから、回転時の負荷低減化と、静止時の予熱待機の効率化を両立するためには、図１０（定着ベルトは省略してある）に示すように、凸形状部５０は定着ベルト２１の引っ張り側（円周の約半分）に設ける方がよい。

このように本実施形態の実施例１，２では、熱伝導部材２２に凸形状部５０を複数設け、定着ベルト２１との接触面積を減じることにより摺動抵抗を減じている。

また、本実施形態の実施例１では、定着ベルト２１とのクリアランスの減少に伴い（定着ニップ方向に行くに従い）、凸形状部５０の高さを小さくしている。そのことにより、凸形状部５０の頂点を定着ベルト２１の内面に均質に当接させるようにすることによって、片辺りを防止している。さらに、熱伝導部材２２から定着ベルト２１への熱移動が、凸形状部５０の頂点からの接触熱伝導と、凸形状部５０により定着ベルト２１の回転時にクリアランス内の対流が促進されるため、加熱効率が高まる。

このとき、凸形状部５０の頂点は定着ベルト２１との摺動により経時的に削れて行くことになるため、本実施形態では、図１１に示すように、凸形状部５０における摺動部分に低摩擦コート５２を設けることによって、潤滑性と削れ防止性を向上させるようにしている。

前記低摩擦コート５２を熱伝導部材２２の表面全体に行うと、低摩擦コート５２が熱抵抗となる問題が生じる。そこで、本実施形態では、凸形状部５０のみに低摩擦コート５２を施している。定着ベルト２１との摺擦は凸形状部５０の頂点で行われるので、そこに低摩擦コート５２が施されていれば削れの問題は発せず、また凸形状部５０の基部にはコートがないことにより、良好に加熱されるため、対流による定着ベルト２１への熱伝達効率がよくなる。

低摩擦コート５２は、凸形状部５０以外をマスキングした状態でコーティング加工することにより形成することができる。

本実施形態では、パイプ状金属体からなる熱伝導部材２２の材質としてステンレスを用い、図１１に示すように、凸形状部５０のみにコーティングを施す。コーティング材としては、耐熱性と摺動性の観点からフッ素樹脂を主成分とするコーティング層を５〜３０μｍの厚さで設けることがよい。熱伝導性を補うために各種の添加剤を配合したコーティング材を検討したが、異物の存在により摺動耐久性が損なわれることが分った。

本実施形態において、凸形状部５０が定着ベルト２１と接触することにより熱伝導が行われる。熱伝導部材２２は内部より加熱されるために、凸形状部５０の頂点への熱移動が促進して熱効率を高めるため、本実施形態では、図１２に示すように、凸形状部５０の肉厚を熱伝導部材２２の他部に比して薄くし、熱抵抗が少なくなるようにしている。

本実施形態では、凸形状部５０の頂点部分が最も薄肉になるような凸形状とした。凸形状部５０の肉厚の最薄部は、凸形状部５０以外の部分に対し４０％〜８０％程度の肉厚とした。なお、薄くし過ぎると、加工上のばらつきにより穴があいてしまうことがあり、厚くし過ぎると、熱抵抗が低減しないという不具合がある。

また、定着ベルト２１内面と熱伝導部材２２は、凸形状部５０の頂点で摺擦しており、摺動抵抗を減じるために潤滑剤が使用されるが、潤滑剤は、凸形状部５０の頂点以外の部位に潤滑剤（グリス）溜りが生じ、潤滑剤の効果が発揮できない場合がある。

そこで、本実施形態では、図１３に示すように、凸形状部５０の頂点に凹部５３を設け、この凹部５３を潤滑剤溜りとすることにより問題解決している。凹部５３は、凸形状部５０の１／２（半分）の高さよりも頂点側に位置するように、複数設けられた各凸形状部５０のそれぞれに形成されている。

凸形状部５０の肉厚を薄くしたり、頂点に凹部５３を設けたりすることは、熱伝導部材２２と凸形状部５０の成型時、プレス加工する際のパンチとダイのクリアランスを調整することにより加工可能である。

また、図１４に示すように、加熱部材としてハロゲンヒータやカーボンヒータなどの前記ヒータ２５に代えて、定着ベルト２１の外側に対向させて、誘導加熱（Induction Heating：ＩＨ）の電磁誘導を利用して加熱する誘導加熱部６０を設置して、定着ベルト２１を加熱する構成にすることも考えられる。

誘導加熱部６０は、励磁コイル，コア，コイルガイドなどにより構成される。励磁コイルは、定着ベルト２１の一部を覆うように、細線を束ねたリッツ線を幅方向に延設したものである。コイルガイドは、耐熱性の高い樹脂材料などからなり、励磁コイルやコアを保持する。コアは、フェライトなどの強磁性体（比透磁率が１０００〜３０００程度）からなる半円筒状部材であって、熱伝導部材２２に向けて効率のよい磁束を形成するためにセンターコアやサイドコアが設けられている。コアは、幅方向に延設された励磁コイルに対向するように設置されている。

このように構成された誘導加熱部６０は、次のように動作する。

定着ベルト２１が図１４における矢印方向に回転駆動されると、定着ベルト２１は誘導加熱部６０との対向位置で加熱される。具体的には、励磁コイルに高周波の交番電流を流すことによって熱伝導部材２２の周囲に、磁力線が双方向に交互に切り替わるように形成される。このとき、熱伝導部材２２の表面に渦電流が生じて、熱伝導部材２２自体の電気抵抗によってジュール熱が発生する。このジュール熱によって、熱伝導部材２２が電磁誘導加熱され、さらに加熱された熱伝導部材２２によって定着ベルト２１が加熱されることになる。

なお、熱伝導部材２２を効率的に電磁誘導加熱するためには、誘導加熱部６０を熱伝導部材２２の周方向全域に対向するように構成することが好ましい。また、熱伝導部材２２の材料としては、ニッケル，ステンレス，鉄，銅，コバルト，クロム，アルミニウム，金，白金，銀，スズ，パラジウム、これらのうち複数の金属からなる合金などを用いることができる。

本実施形態において、定着ベルト２１の内周面に接触あるいは対向し、定着ベルト２１を保持すると共に加熱する熱伝導部材２２を、薄肉の金属板を曲げ加工してパイプ状に形成している。これにより、製造コストが比較的安価であって、定着ベルト２１の加熱効率が高くなり、ウォームアップ時間やファーストプリント時間が短く、装置を高速化した場合であっても定着不良などが生じることを抑止することができる。

ところで本実施形態の熱伝導部材２２の凹部２２ａにおいて、曲げ加工後の側端部分２２ｂを開放したままであると、図１５の説明図のように、スプリングバックが生じて側端部分２２ｂが開き傾向になり、定着ベルト２１との間に接触ムラや接触圧のムラを生じさせてしまう。

そこで、熱伝導部材２２の側端部分２２ｂについては、熱伝導部材２２の幅方向（軸方向）の少なくとも一部を接合状態にしてスプリングバックにより側端部分２２ｂが開くことがないようにする必要がある。例えば、側端部分２２ｂに溶接を施して接合することが考えられる。

また、本実施形態の熱伝導部材２２では、ニップ形成部材２６を収納する凹部２９が形成されるが、凹部２９における熱伝導部材２２の角部２２ｃおよびその近傍が、定着ベルト２１を介して加圧ローラ３１に接触すると、熱伝導部材２２に変形が生じ（特に加圧ローラ３１との圧接状態にて生じやすい）、定着ベルト２１と熱伝導部材２２との間に接触ムラを生じさせてしまう。

そこで、本例では、熱伝導部材２２を、その角部２２ｃを含めて定着ベルト２１を介して加圧ローラ３１には接触しない構成にしている。具体的には、加圧ローラ３１に対して、定着ニップＮ近傍より離れて熱伝導部材２２の角部２２ｃが位置するように設定されている。

なお、従来のこの種の定着装置（例えば、特許文献４に記載の装置）においては、下記のような課題が考えられる。

すなわち、定着ベルトが加圧ローラの連れ回りによって回転する構成の場合には、定着ベルトの回転負荷が大きいと、加圧ローラの表層に大きなせん断力が与え続けられることになり、加圧ローラの経時劣化や、定着ベルトのスリップなどが発生するという不具合が生じる（課題１）。

また、摺動負荷を減らすべく、パイプ状金属体と定着ベルトの隙間を大きく取ると、パイプ状金属体から定着ベルトへの熱抵抗が大きくなり、定着ベルトの昇温が妨げられることにより、定着装置を搭載した画像形成装置のウォームアップタイムが長くなってしまうという不具合が生じる（課題２）。

また、前記摺動抵抗を減じるために、従来ではパイプ状金属体の表面全体に摺動コート層を設けていた。しかし、この摺動コート層がコストアップを招くと共に、熱抵抗になってしまい、昇温の妨げになる（課題３）。

しかしながら、本実施形態によれば、上記のように前記従来の課題は解決することができる。

また、本実施形態では、加圧部材として加圧ローラ３１を用いた定着装置に対して本発明を適用したが、加圧部材として加圧ベルトや加圧パッドを用いた定着装置に対しても本発明を適用することができる。そして、その場合にも、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態では、定着部材として複層構造の定着ベルト２１を用いたが、定着部材としてポリイミド樹脂，ポリアミド樹脂，フッ素樹脂、あるいは薄板状金属などからなる無端状の定着フィルムを用いることもできる。そして、その場合にも、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明は、トナー像の定着を行う定着装置、および該定着装置を備える複写機，プリンタ，ファクシミリ装置、およびこれらの複合機などの画像形成装置における定着部に適用可能である。

１ 画像形成装置本体
２０ 定着装置
２１ 定着ベルト（定着部材）
２２ 熱伝達部材
２５ ヒータ（加熱部材）
２６ ニップ形成部材
３１ 加圧ローラ（加圧部材）
５０ 凸形状部
５２ 低摩擦コート
５３ 凹部
６０ 誘導加熱部
Ｎ 定着ニップ

特開平４−４４０７５号公報 特開平８−２６２９０３号公報 特開平１０−２１３９８４号公報 特開２００９−３４１０号公報

Claims (12)

1. 可撓性の無端ベルトからなる定着ベルトと、該定着ベルトを加熱する加熱部材と、前記定着ベルト内部に設けられたニップ形成部材と、前記定着ベルトを介して前記ニップ形成部材に圧接する加圧部材とを備え、前記定着ベルトと前記加圧部材間に定着ニップを形成し、前記加圧部材と共に前記定着ベルトが周方向に移動し、前記定着ニップに定着対象の記録媒体が搬送される構成の定着装置において、
   前記定着ベルト内面に沿うように固定され、前記定着ベルト内面と摺動して該定着ベルトの移動案内を行うと共に前記定着ベルトに熱を伝える熱伝導部材を備え、該熱伝導部材の表面に複数の凸形状部を設け、各凸形状部の突出高さが前記定着ベルトの回転方向において前記定着ニップに向かって順に低くなるように設定されていることを特徴とする定着装置。
2. 前記定着ベルトが前記加圧部材の回転力により連れ回され、前記加圧部材による前記定着ベルトに対する引っ張り方向となる側における前記熱伝導部材の側面に、前記凸形状部を設けたことを特徴とする請求項１記載の定着装置。
3. 前記凸形状部は、前記定着ニップに対して前記定着ベルトの回転方向上流側に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の定着装置。
4. 前記熱伝導部材における前記凸形状部のみに、低摩擦コート層を設けたことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の定着装置。
5. 前記凸形状部の頂点部分の肉厚を、前記熱伝導部材のうち前記凸形状部が設けられていない部分の肉厚よりも薄くしたことを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の定着装置。
6. 前記定着ベルトと前記熱伝導部材間に潤滑剤を介在させ、かつ前記熱伝導部材の前記凸形状部に潤滑剤溜りの凹部を設けたことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の定着装置。
7. 前記熱伝導部材を金属製パイプ材から形成したことを特徴とする請求項１〜６いずれか１項記載の定着装置。
8. 前記加熱部材が前記熱伝導部材の内部に設置され、該熱伝導部材を介して前記定着ベルトを加熱することを特徴とする請求項１〜７いずれか１項記載の定着装置。
9. 前記加熱部材は、ハロゲンヒータであることを特徴とする請求項８記載の定着装置。
10. 前記加熱部材が前記定着ベルトの外部に設置され、該熱伝導部材を介して前記定着ベルトを加熱することを特徴とする請求項１〜７いずれか１項記載の定着装置。
11. 前記加熱部材が、励磁コイルを備える誘導加熱部であることを特徴とする請求項１０記載の定着装置。
12. 記録媒体に対して画像を形成する画像形成部と、該画像形成部にて画像が形成された記録媒体に対して定着処理を行う定着部とを備えた画像形成装置において、前記定着部として請求項１〜１１いずれか１項記載の定着装置を搭載したことを特徴とする画像形成装置。

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