JP2019168593A - 定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】定着強度と耐久寿命とを両立できる定着装置を提供する。【解決手段】ニップ形成部材６０は、ニップ部の出口側に、対向回転体５６に向かって凸に湾曲する形状の凸曲面を有している。凸曲面に沿って湾曲する定着ベルト５４の湾曲長さが０ｍｍ超１．３ｍｍ以下である。【選択図】図２

Description

本開示は、定着装置に関する。

従来の定着装置に関し、特開２００１−３５６６２５号公報（特許文献１）には、定着ローラとエンドレスベルト、およびエンドレスベルトを介して定着ローラに押圧される圧力パッドとを備え、定着ローラの外周面形状に対し突出させた剥離ニップ部材によりニップ部の出口付近において定着ローラの歪みが局所的に大きくなるようにした構成が開示されている。

特開２００１−３５６６２５号公報

本発明者は、定着強度の向上を目的として定着パッドのニップ部の出口側を凸形状とした場合に、定着ベルトの耐久寿命が短くなる課題を見出した。

それゆえに、本開示では、定着強度と耐久寿命とを両立できる定着装置が提供される。

定着装置の技術分野においては、定着強度を高くするためにニップ部の出口の凸形状の曲面部の経路長は大きいほど良いと考えられていた。本発明者が鋭意検討した結果、ニップ部の出口を凸形状にすると、経時後に定着ベルトの表層摩耗が大きくなることで定着ベルトの耐久寿命が短くなるという新たな知見を得た。本発明者はさらに、所定の印刷枚数に対して定着ベルトの表層摩耗を一定以下に抑えるための検討を重ね、本発明を完成するに至った。

すなわち、本開示に係る定着装置は、回転可能な無端状の定着ベルトと、定着ベルトを加熱する加熱源と、定着ベルトの内周側に配設されたニップ形成部材と、定着ベルトを介してニップ形成部材と当接することにより定着ベルトとの間にニップ部を形成する対向回転体とを備えている。ニップ形成部材は、ニップ部の出口側に、対向回転体に向かって凸に湾曲する形状の凸曲面を有している。凸曲面に沿って湾曲する定着ベルトの湾曲長さが０ｍｍ超１．３ｍｍ以下である。

上記の定着装置において、凸曲面の経路長が１．０ｍｍ以下であってもよい。
上記の定着装置において、凸曲面は、円弧面形状であってもよい。

上記の定着装置において、凸曲面の曲率半径は１ｍｍ以下であってもよい。

本開示に係る定着装置によれば、定着強度と耐久寿命とを両立することができる。

実施の形態に係る画像形成装置を示す概略図である。 実施の形態に係る定着装置の内部構造を示す図である。 ニップ形成部材の拡大図である。 定着ベルトの表層摩耗について示すグラフである。 曲面における定着ベルトと用紙との搬送について示す図である。 通紙耐久の結果を示すグラフである。 定着ベルトに作用する圧力を示すグラフである。 出口凸形状部および定着ベルトを模式的に示す図である。 円弧状の凸曲面の経路長の算出について説明する図である。

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、これらについての詳細な説明は繰り返さない。

（画像形成装置１００の構成）
図１は、実施の形態に係る画像形成装置１００を示す概略図である。図１には、カラープリンタとしての画像形成装置１００が示されている。以下では、カラープリンタとしての画像形成装置１００について説明するが、画像形成装置１００は、カラープリンタに限定されない。たとえば、画像形成装置１００は、モノクロプリンタであってもよいし、ファックスであってもよいし、モノクロプリンタ、カラープリンタおよびファックスの複合機（ＭＦＰ：Multi−Functional Peripheral）であってもよい。

画像形成装置１００は、画像形成ユニット１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋと、中間転写ベルト３０と、一次転写ローラー３１と、二次転写ローラー３３と、カセット３７と、従動ローラー３８と、駆動ローラー３９と、タイミングローラー４０と、定着装置５０と、筐体８０と、制御装置１０１とを主に備えている。

筐体８０は、画像形成装置１００の外殻を規定している。筐体８０は、画像形成ユニット１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋと、中間転写ベルト３０と、一次転写ローラー３１と、二次転写ローラー３３と、カセット３７と、従動ローラー３８と、駆動ローラー３９と、タイミングローラー４０と、定着装置５０と、制御装置１０１とを、内部に収容している。

画像形成ユニット１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋと、中間転写ベルト３０と、一次転写ローラー３１と、二次転写ローラー３３と、カセット３７と、従動ローラー３８と、駆動ローラー３９と、タイミングローラー４０とは、画像形成部を構成している。この画像形成部は、後述する搬送経路４１に沿って搬送される記録媒体としての用紙Ｓ上に、トナー画像を形成する。

画像形成ユニット１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋは、中間転写ベルト３０に沿って順に並べられている。画像形成ユニット１Ｙは、トナーボトル１５Ｙからトナーの供給を受けてイエロー（Ｙ）のトナー像を形成する。画像形成ユニット１Ｍは、トナーボトル１５Ｍからトナーの供給を受けてマゼンタ（Ｍ）のトナー像を形成する。画像形成ユニット１Ｃは、トナーボトル１５Ｃからトナーの供給を受けてシアン（Ｃ）のトナー像を形成する。画像形成ユニット１Ｋは、トナーボトル１５Ｋからトナーの供給を受けてブラック（ＢＫ）のトナー像を形成する。

画像形成ユニット１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋは、それぞれ、中間転写ベルト３０に沿って中間転写ベルト３０の回転方向の順に配置されている。画像形成ユニット１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋは、それぞれ、感光体１０と、帯電装置１１と、露光装置１２と、現像装置１３と、クリーニング装置１７とを備えている。

帯電装置１１は、感光体１０の表面を一様に帯電する。露光装置１２は、制御装置１０１からの制御信号に応じて感光体１０にレーザー光を照射し、入力された画像パターンに従って感光体１０の表面を露光する。これにより、入力画像に応じた静電潜像が感光体１０上に形成される。

現像装置１３は、現像ローラー１４を回転させながら、現像ローラー１４に現像バイアスを印加し、現像ローラー１４の表面にトナーを付着させる。これにより、トナーが現像ローラー１４から感光体１０に転写され、静電潜像に応じたトナー像が感光体１０の表面に現像される。感光体１０は、その表面にトナー像を担持する像担持体としての機能を有している。

感光体１０と中間転写ベルト３０とは、一次転写ローラー３１を設けている部分で互いに接触している。一次転写ローラー３１は、ローラー形状を有し、回転可能に構成される。トナー像と反対極性の転写電圧が一次転写ローラー３１に印加されることによって、トナー像が感光体１０から中間転写ベルト３０に転写される。イエロー（Ｙ）のトナー像、マゼンタ（Ｍ）のトナー像、シアン（Ｃ）のトナー像、およびブラック（ＢＫ）のトナー像が順に重ねられて感光体１０から中間転写ベルト３０に転写される。これにより、カラーのトナー像が中間転写ベルト３０上に形成される。

中間転写ベルト３０は、従動ローラー３８および駆動ローラー３９に張架されている。駆動ローラー３９は、たとえばモーター（図示しない）によって回転駆動される。中間転写ベルト３０および従動ローラー３８は、駆動ローラー３９に連動して回転する。これにより、中間転写ベルト３０上のトナー像が二次転写ローラー３３に搬送される。

クリーニング装置１７は、感光体１０に圧接されている。クリーニング装置１７は、トナー像の転写後に感光体１０の表面に残留するトナーを回収する。

カセット３７には、用紙Ｓがセットされる。用紙Ｓは、ピックアップローラー４２によってカセット３７から１枚ずつ繰り出され、タイミングローラー４０によって搬送経路４１に沿って二次転写ローラー３３に送られる。

二次転写ローラー３３は、ローラー形状を有しており、回転可能に構成されている。二次転写ローラー３３は、トナー像と反対極性の転写電圧を搬送中の用紙Ｓに印加する。これにより、トナー像は、中間転写ベルト３０から二次転写ローラー３３に引き付けられ、中間転写ベルト３０上のトナー像が転写される。二次転写ローラー３３への用紙Ｓの搬送タイミングは、中間転写ベルト３０上のトナー像の位置に合わせてタイミングローラー４０によって調整される。タイミングローラー４０により、中間転写ベルト３０上のトナー像は、用紙Ｓの適切な位置に転写される。

定着装置５０は、自身を通過する用紙Ｓを加圧および加熱する。これにより、トナー像は用紙Ｓに定着する。定着装置５０は、搬送経路４１に沿って搬送される用紙Ｓ上のトナー画像を定着させる。トナー像が定着された用紙Ｓは、トレイ４８に排紙される。

上記の説明では、印刷方式としてタンデム方式を採用している画像形成装置１００について説明したが、画像形成装置１００の印刷方式は、タンデム方式に限定されない。画像形成装置１００内における各構成の配置は、採用される印刷方式に従って適宜変更され得る。画像形成装置１００の印刷方式として、ロータリー方式や直接転写方式が採用されてもよい。ロータリー方式の場合、画像形成装置１００は、１つの感光体１０と、同軸上で回転可能に構成される複数の現像装置１３で構成される。画像形成装置１００は、印刷時には、各現像装置１３を感光体１０に順に導き、各色のトナー像を現像する。直接転写方式の場合、画像形成装置１００は、感光体１０上に形成されたトナー像が用紙Ｓに直接転写される。

（定着装置５０の構成）
図２を参照して、図１に示される定着装置５０についてさらに説明する。図２は、実施の形態に係る定着装置５０の内部構造を示す図である。

図２に示されるように、定着装置５０は、定着ベルト方式である。定着装置５０は、加熱回転体５１と、支持部材５３と、定着ベルト５４と、ニップ形成部材６０と、対向回転体５６とを備えている。

加熱回転体５１の外径は、たとえば２０ｍｍ〜３０ｍｍである。加熱回転体５１は、たとえば、芯金と、表層とで構成されている。芯金は、たとえばアルミニウム製であり、円筒形状を有する中空回転体である。芯金の厚さは、たとえば２ｍｍである。加熱回転体５１の表層は、芯金の外周面に形成されている。好ましくは、加熱回転体５１の表層は、耐熱性のＰＦＡ（パーフルオロアルキルエーテル）チューブで被覆されている。加熱回転体５１は、ハードローラーとして構成されている。

加熱回転体５１の内面に、定着ベルト５４を加熱する加熱源として、ハロゲンヒーターなどのヒーター５１Ａが配置されている。加熱回転体５１は、ヒーター５１Ａによって加熱され、ヒーター５１Ａから受けた熱を定着ベルト５４に伝える。定着ベルト５４は、ヒーター５１Ａによって、加熱回転体５１を介して加熱される。

定着ベルト５４は、柔軟性を有する無端状のベルトである。定着ベルト５４は、加熱回転体５１およびニップ形成部材６０に張架されており、回転可能に構成されている。加熱回転体５１およびニップ形成部材６０は、定着ベルト５４の内周側に配設されている。定着ベルト５４は、回転することにより、定着ベルト５４と対向回転体５６との接触部分であるニップ部に、加熱回転体５１から受けた熱を伝える。定着ベルト５４と対向回転体５６との間に形成されたニップ部を用紙Ｓが通過することで、用紙Ｓに転写されたトナー像が加熱および加圧されて用紙Ｓ上で融解する。これにより、トナー像は用紙Ｓに定着する。

定着ベルト５４は、たとえば基層および弾性層で構成されている。定着ベルト５４の基層は、ポリイミドなどの耐熱性の樹脂で構成されている。定着ベルト５４の基層は、内径５０ｍｍ、幅３３０ｍｍ、厚さ７０μｍを有している。定着ベルト５４の弾性層は、シリコーンゴムなどの耐熱性材料で構成されている。定着ベルト５４の弾性層の厚さは、たとえば２００μｍである。定着ベルト５４の表面は、厚さ３０μｍのＰＦＡチューブなどの、離型層で被覆されていてもよい。

ニップ形成部材６０は、支持部材５３に固定されている。支持部材５３は、角張ったＣ字形状を有している。一例として、ニップ形成部材６０は、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミド、または液晶ポリマーなどの耐熱性の樹脂で構成されている。

ニップ形成部材６０は、定着ベルト５４を間に挟んで対向回転体５６に対向するように配置されており、定着ベルト５４を対向回転体５６に押し付けるように定着ベルト５４を押圧する。これにより、対向回転体５６の弾性層が変形し、定着ベルト５４と対向回転体５６との間にニップ部が形成される。ニップ形成部材６０は、用紙Ｓの搬送方向下流側に進むに従って、すなわちニップ部の出口に近づくにつれて、対向回転体５６側へ次第に突出する曲面になる、出口凸パッド形状になっている。

ニップ形成部材６０は、加熱回転体５１の軸方向において用紙Ｓの幅よりも長い。Ａ３サイズの用紙Ｓが通過する装置の場合、ニップ形成部材６０は、長手方向の長さ３５０ｍｍを有している。

加圧部材の一例としての対向回転体５６は、定着ベルト５４の外周面に接触している。対向回転体５６の外径は、たとえば２０ｍｍ〜４０ｍｍ程度である。対向回転体５６は、図示しないモーターなどの駆動装置により駆動されることで、回転する。対向回転体５６が回転することで、対向回転体５６の回転力が定着ベルト５４に伝えられる。これにより、定着ベルト５４は、対向回転体５６に従動回転する。対向回転体５６は、定着ベルト５４を介してニップ形成部材６０を押圧する。

対向回転体５６は、たとえば、芯金、中間層、表層で構成されている。芯金は、アルミニウムまたは鉄などの金属材料で構成された円筒である。芯金の厚さは、たとえば１ｍｍ〜５ｍｍ程度である。対向回転体５６の中間層は、耐熱性を有する弾性体で構成されている。弾性体としては、たとえば厚さ３ｍｍの耐熱性のシリコーンゴムなどが採用される。対向回転体５６の表層には、離型性を有する材料が用いられる。対向回転体５６の表層の材料としては、たとえば厚さ３０μｍのＰＦＡチューブが用いられる。対向回転体５６は、ソフトローラーとして構成されている。

図３は、ニップ形成部材６０の拡大図である。図３に示すように、ニップ形成部材６０は、支持面６１と、摺動面６２とを備えている。図２を併せて参照して、支持面６１は、支持部材５３に接触するニップ形成部材６０の一部表面である。ニップ形成部材６０は、支持面６１において支持部材５３によって支持されている。支持面６１は、支持部材５３に固着されている。

摺動面６２は、定着ベルト５４の内周面に接触して、定着ベルト５４との間で摺動される面である。摺動面６２は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの低摩擦性のコート、またはシート材で被覆されていてもよい。

図３中の矢印は、用紙Ｓを搬送するときに回転する定着ベルト５４が摺動面６２上を摺動する方向を示している。図３中の下側が用紙Ｓの搬送方向の上流側、図３中の上側が用紙Ｓの搬送方向の下流側である。上述したように定着ベルト５４と対向回転体５６との間にニップ部が形成される。ニップ部は、用紙Ｓの搬送方向の上流側（図３においては図中の下側）に入口を有し、用紙Ｓの搬送方向の下流側（図３においては図中の上側）に出口を有している。

ニップ形成部材６０は、ニップ部の出口側に、対向回転体５６に向かって突出する出口凸形状部６３を有している。出口凸形状部６３の表面は、対向回転体５６に向かって凸に湾曲する形状の凸曲面６３Ａを構成している。凸曲面６３Ａは、滑らかに湾曲する曲面形状を有している。典型的には、凸曲面６３Ａは、円弧面形状である。図２，３に示すように、摺動面６２は、全体として対向回転体５６に向かって凹状に湾曲している。ニップ部の出口において摺動面６２から変曲して対向回転体５６に向かって凸に湾曲する面が、凸曲面６３Ａである。

（定着ベルト５４の表層摩耗）
図４は、定着ベルト５４の表層摩耗について示すグラフである。図４の横軸は、用紙Ｓと定着ベルト５４とに速度差がついている時間を示し、図４の縦軸は、定着ベルト５４の表層摩耗量を示す。図４に示すように、用紙Ｓが定着ベルト５４に対して速度差がついている時間が長くなるにつれて、用紙Ｓが定着ベルト５４を擦り、定着ベルト５４の表層摩耗が大きくなる。用紙Ｓよりも定着ベルト５４の表層のほうが硬さが小さいため、定着ベルト５４の表層が摩耗する。したがって、定着ベルト５４の表層摩耗を小さくするためには、定着ベルト５４と用紙Ｓとの速度差がついている時間を短くする必要がある。

用紙Ｓと定着ベルト５４との速度差が発生する原理について説明する。図５は、曲面における定着ベルト５４と用紙Ｓとの搬送について示す図である。定着ベルト５４および用紙Ｓが曲率がある部分を通るときに、用紙Ｓと定着ベルト５４との速度差が発生する。

たとえば図３に示すニップ形成部材６０を用いる場合に、定着ベルト５４および用紙Ｓが凸曲面６３Ａに沿って搬送されるとき、定着ベルト５４の搬送経路と用紙Ｓの搬送経路とに曲率半径の差が生じる。定着ベルト５４の曲率半径をｒ１、用紙Ｓの曲率半径をｒ２とすると、図５に示すように用紙Ｓのほうが大回りするため、ｒ２＞ｒ１である。定着ベルト５４と用紙Ｓとの角速度をωとすると、定着ベルト５４の搬送速度ｖ１＝ｒ１×ω、用紙Ｓの搬送速度ｖ２＝ｒ２×ωで表され、角速度ωが一定のとき、ｖ２＞ｖ１である。このようにして、定着ベルト５４と用紙Ｓとの速度差が発生する。

（定着ベルト５４の表層摩耗量と経路長との関係）
定着ベルト５４と用紙Ｓとの速度差がついている時間を短くするためには、ニップ形成部材６０における曲率がある部分の経路長を短くして、当該曲率がある部分に沿って湾曲する定着ベルト５４の湾曲長さを小さくする必要がある。図６は、通紙耐久の結果を示すグラフである。図６の横軸は、定着ベルト５４が湾曲している部分の経路長（単位：ｍｍ）を示し、図６の縦軸は、４０万枚通紙後の定着ベルト５４の表層摩耗量（単位：μｍ）を示す。

図６により、定着ベルト５４の湾曲している部分の経路長が１．３ｍｍ以下ならば、定着ベルト５４の表層摩耗量が仕様内となることが示されている。この結果を根拠に、ニップ形成部材６０の凸曲面６３Ａに沿って湾曲する定着ベルト５４の湾曲長さを、１．３ｍｍ以下とする。また、定着ベルト５４の湾曲長さ１．３ｍｍ以下を実現するために、ニップ形成部材６０の凸曲面６３Ａの経路長を、１．０ｍｍ以下とする。

ニップ形成部材６０の表面に凸曲面６３Ａを構成する湾曲する面が形成されているので、凸曲面６３Ａの経路長は０ｍｍ超であり、したがって定着ベルト５４の湾曲長さも０ｍｍ超である。

定着ベルト５４を対向回転体５６に向かって凸に湾曲する形状にすることで、定着強度を確保することができる。定着ベルト５４の湾曲長さを０ｍｍ超１．３ｍｍ以下にすることで、定着ベルト５４の表層摩耗を小さく抑えて、定着ベルト５４の耐久寿命を長くすることができる。凸曲面６３Ａの経路長を１．０ｍｍ以下にすることで、定着ベルト５４の１．３ｍｍ以下の湾曲長さを、確実に実現することができる。

（凸曲面６３Ａの曲率半径）
図７は、定着ベルト５４に作用する圧力を示すグラフである。図７の横軸は、凸曲面６３Ａに沿って湾曲する定着ベルト５４の周方向の位置を示し、図７の縦軸は、各位置における定着ベルト５４に作用する圧力の値（単位：ｋＰａ）を示す。図７中には、凸曲面６３Ａの曲率半径が１．０ｍｍであるときのグラフを黒丸のプロットで示し、凸曲面６３Ａの曲率半径が２．０ｍｍであるときのグラフを白丸のプロットで示す。図７に示される曲率半径が１．０ｍｍの凸曲面６３Ａと曲率半径が２．０ｍｍの凸曲面６３Ａとは、同じ経路長を有している。

定着強度を確保するためには、定着ベルト５４に作用する圧力のピーク値を大きくする必要がある。図７に示すように、曲率半径の小さい凸曲面６３Ａは、曲率半径の大きい凸曲面６３Ａよりも、圧力のピーク値が大きい。曲率半径が１．０ｍｍの凸曲面６３Ａは、圧力のピーク値が十分に大きく、したがって一定の定着強度が確保されている。一方、曲率半径が２．０ｍｍの凸曲面６３Ａは、平面により近い形状であることから、圧力のピーク値が小さくなり、定着強度が弱くなっている。この結果を根拠に、凸曲面６３Ａの曲率半径を、１ｍｍ以下とする。

凸曲面６３Ａの曲率半径を１ｍｍ以下にすることで、定着ベルト５４に作用する圧力のピーク値を十分に大きくできる。したがって、定着装置５０の定着強度を高めることができる。

（凸曲面６３Ａの経路長の算出）
図８は、出口凸形状部６３および定着ベルト５４を模式的に示す図である。これまでに説明した通り、出口凸形状部６３は、円筒の一部形状を有している。したがって凸曲面６３Ａは、円弧面形状である。定着ベルト５４は、凸曲面６３Ａに沿って、円弧面状に湾曲している。

図９は、円弧状の凸曲面６３Ａの経路長の算出について説明する図である。凸曲面６３Ａをなす円弧面の軸方向に出口凸形状部６３を見た場合、出口凸形状部６３は図９に示すように扇形形状である。扇形の半径、すなわち凸曲面６３Ａの曲率半径をＲとし、扇形の中心角をθとすると、凸曲面６３Ａの経路長Ｌは、Ｌ＝２πＲ×（θ／３６０）として算出することができる。扇形の中心角θを、定着ベルト５４の凸曲面６３Ａに対する巻き付き角度とも称する。

凸曲面６３Ａが円弧面形状であれば、凸曲面６３Ａの曲率半径Ｒと凸曲面６３Ａに対する定着ベルト５４の巻き付き角度θとを用いて、Ｌ＝２πＲ×（θ／３６０）の計算式に基づいて、凸曲面６３Ａの経路長Ｌを算出することができる。したがって、凸曲面６３Ａが円弧面形状であれば、経路長Ｌを容易に算出することができる。

なお、凸曲面６３Ａの形状は円弧面に限定されるものではない。凸曲面６３Ａは、対向回転体５６に向かって凸に湾曲する形状であれば他の曲面形状であってもよく、たとえば楕円弧面形状であってもよい。

以上のように実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

５０ 定着装置、５１ 加熱回転体、５１Ａ ヒーター、５３ 支持部材、５４ 定着ベルト、５６ 対向回転体、６０ ニップ形成部材、６１ 支持面、６２ 摺動面、６３ 出口凸形状部、６３Ａ 凸曲面、１００ 画像形成装置。

Claims (4)

1. 回転可能な無端状の定着ベルトと、
   前記定着ベルトを加熱する加熱源と、
   前記定着ベルトの内周側に配設さ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と当接することにより前記定着ベルトとの間にニップ部を形成する対向回転体とを備え、
   前記ニップ形成部材は、前記ニップ部の出口側に、前記対向回転体に向かって凸に湾曲する形状の凸曲面を有し、
   前記凸曲面に沿って湾曲する前記定着ベルトの湾曲長さが０ｍｍ超１．３ｍｍ以下である、定着装置。
2. 前記凸曲面の経路長が１．０ｍｍ以下である、請求項１に記載の定着装置。
3. 前記凸曲面は、円弧面形状である、請求項１または２に記載の定着装置。
4. 前記凸曲面の曲率半径は１ｍｍ以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の定着装置。

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