JP2006098901A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 両面プリントを伴う高速カラー定着においても、転写材の定着・分離性能を確保し、光沢ムラのない定着装置を有する画像形成装置を提供すること。
【解決手段】 加熱ローラとローラＡとに張架されたベルトＡと、ローラＢと分離ローラとに張架されたベルトＢとからなり、ローラＡとローラＢとを圧接してニップ部を作り、当該ニップ部でベルトＡとベルトＢとの間に、トナー像を担持する用紙を通して定着後、当該用紙を分離ローラでベルトＢから剥し、更に、もう片面にトナー像を形成して定着する定着装置を有する画像形成装置において、分離ローラはローラＢより細く、ローラＡとローラＢによる断面形状の仮想円のニップ部出口での接線が、ローラＢと分離ローラ間のベルト線と一致するか、ローラＡ側にあり、ローラＡがローラＢより硬いことを特徴とする画像形成装置。
【選択図】 図２

Description

本発明は、複写機、プリンタ、ＦＡＸ等の電子写真方式に用いる熱定着装置を有する画像形成装置に関し、特に、ベルトを用いた熱定着装置を有する画像形成装置に関する。

電子写真方式の定着装置においては、単に２つのローラを圧接して形成されたニップ部にトナー画像を担持した転写材を通過させ、転写材にトナーを固定している。また、従来例として、図４のように、二つの回転体の内少なくとも１つをベルトにする装置も開発されている。

図４は、ベルトを使用した定着装置の概略を示す示す図である。

しかしながら、図４（ａ）のように、ニップ部幅を稼ぐために、ニップを形成する２つのローラの外径を大きくしてしまうと、ニップ部の転写材出口での２つの回転体の曲率が小さくなり、転写材を加熱ベルトから分離できない問題が生じ、定着処理の高速化に限界がある。一方、図４（ｂ）のように、加熱ベルト内面に２つ以上のローラを設け、ニップ部より下流領域に、加熱ベルト内面に当接する小径のローラを設けて分離性能を確保する技術では、定着性能と分離性能は確保されるが、加熱ベルトがローラにバックアップされていない領域ｆが必ず生じ、画像ズレが発生する問題が懸念される。このように、２つの回転体からの転写材分離点を同じ位置にした場合には、定着処理の高速化に限界がある。

上記の問題を解決するため、２つの回転体から転写材分離点をずらした技術を図４（ｃ）に示す。

この技術では、主ニップ部ｅより通紙方向下流で加熱ベルトを張架する分離ローラの曲率の最大のところで、加熱ベルトから転写材を分離するものである。

しかしながら、主ニップ部において、トナーの溶融具合を非常に精度良く管理しないと、ベルトと転写材との接触が不安定なために、光沢ムラが発生してしまうことがある。

また、本発明と似た構成のものとして、図４（ｄ）のように、弾性体の熱定着ローラに耐熱ベルトを介して、加圧ローラを圧接し、熱定着ローラに歪みを生じさせ、その歪み量を所定の値以上に規定し、転写材分離時における画像ムラ等の問題を解決する技術も提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−１５０６７９号公報

近年、両面プリントの需要が増加してきているが、一方の面の定着完了トナー像と他方の面の未定着トナー像がのった転写材をニップ部通過後に分離する必要になってきている。

しかしながら、図４（ｄ）で示した技術は、両面プリント時の分離性能について記載していない。

本発明は、両面プリントを伴う高速カラー定着においても、定着性能、転写材分離性能を確保し、光沢ムラ防止が可能な定着装置を有する画像形成装置を提供することを目的とする。

加熱ローラと弾性層を有するローラＡとに張架された、外側表面にトナー離型層を有する無端ベルトＡと、弾性層を有するローラＢと分離ローラとに張架された外側表面にトナー離型層を有する無端ベルトＢとからなり、前記ローラＡと前記ローラＢとを前記無端ベルトＡ、Ｂを介して互いに圧接させてニップ部を形成し、当該ニップ部で前記無端ベルトＡと無端ベルトＢとの間に、未定着トナー像を形成する転写材を通過させて定着した後、当該転写材を前記分離ローラで前記無端ベルトＢから分離し、さらに、もう片面に未定着トナー像を形成した転写材を定着する定着装置を有する両面画像形成可能な画像形成装置において、前記分離ローラの外径は前記ローラＢの外径より小さく、ローラＡとローラＢによる断面形状の仮想円のニップ部出口での接線が、ローラＢと分離ローラとの間の無端ベルトの線と一致するか、ローラＡ側にあり、ローラＡの硬度がローラＢの硬度より小さいことを特徴とする画像形成装置。

本発明では、分離ローラの外形を小さく規定し、また未定着トナーが接しないベルトＢの位置を規定することにより、高速カラー画像形成においても、定着性能および両面プリント時の分離性能を確保でき、また、ワックス含有トナー
を使用する方式を採用しているので、オイル塗布方式で起こりがちな画像光沢ムラを回避できる。

本発明の実施の形態における説明では、本明細書に用いる用語により本発明の技術範囲が限定されることはない。

はじめに、本発明に係わる定着装置及びそれを装着する画像形成装置について説明する。

図１は画像形成装置の全体構成の一例を示す模式図である。

図１において、１０は感光体、１１は帯電手段であるスコロトロン帯電器、１２は画像書き込み手段である書き込み装置、１３は現像手段である現像器、１４は感光体１０の表面を清掃するためのクリーニング装置、１５はクリーニングブレード、１６は現像スリーブ、２０は中間転写ベルトを示す。画像形成手段１は感光体１０、スコロトロン帯電器１１、現像器１３、およびクリーニング装置１４等からなっており、各色毎の画像形成手段１の機械的な構成は同じであるので、図１ではＹ（イエロー）系列のみの構成について参照符号を付けており、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）およびＫ（黒）の構成要素については参照符号を省略した。

各色毎の画像形成手段１の配置は中間転写ベルト２０の走行方向に対して、Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋの順になっており、各感光体１０は中間転写ベルト２０の張設面に接触し、接触点で中間転写ベルト２０の走行方向と同方向、かつ、同線速度で回転する。

中間転写ベルト２０は駆動ローラ２１、アースローラ２２、テンションローラ２３、除電ローラ２７、従動ローラ２４に張架され、これらのローラと中間転写ベルト２０、転写器２５、クリーニング装置２８等でベルトユニット３を構成する。

中間転写ベルト２０の走行は不図示の駆動モータによる駆動ローラ２１の回転によって行われる。

感光体１０は、例えばアルミ材によって形成される円筒状の金属基体の外周に導電層、ａ−Ｓｉ層あるいは有機感光体（ＯＰＣ）等の感光層を形成したものであり、導電層を接地した状態で図１の矢印で示す反時計方向に回転する。

読み取り装置８０からの画像データに対応する電気信号は画像形成レーザで光信号に変換され、書き込み装置１２によって感光体１０上に投光される。

現像器１３は、感光体１０の周面に対し所定の間隔を保ち、感光体１０の回転方向と最接近位置において同方向に回転する円筒状の非磁性ステンレスあるいはアルミ材で形成された現像スリーブ１６を有している。

中間転写ベルト２０は、体積抵抗率１０⁶〜１０¹²Ω・ｃｍの無端ベルトであり、例えば変性ポリイミド、熱硬化ポリイミド、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン、ナイロンアロイ等のエンジニアリングプラスチックに導電材料を分散した、厚さ０．０４〜０．１０ｍｍの半導電性シームレスベルトである。

２５は転写器で、トナーと反対極性の直流が印加され、感光体１０上に形成されたトナー画像を中間転写ベルト２０上に転写させる機能を有する。転写器２５としてはコロナ放電器の他に転写ローラを用いることもできる。

２６はアースローラ２２から当接および当接解除可能な転写ローラで、中間転写ベルト２０上に形成されたトナー画像を転写材Ｐに再転写する。

２８はクリーニング装置で、中間転写ベルト２０を挟んで従動ローラ２４に対向して設けられている。トナー画像を転写材Ｐに転写後、中間転写ベルト２０は、トナーと同極性または逆極性の直流電圧を重畳した交流電圧が印加された除電ローラ２７で残留トナーの電荷が弱められ、クリーニングブレード２９によって周面上に残ったトナーが清掃される。

７は搬送路で、７０は紙送り出しローラ、７１はタイミングローラ、７２は紙カセット、７３は搬送ローラである。８１は排紙ローラで、８２は排紙皿である。８５は操作パネルである。９はＡＤＵ機構部であり、Ｂ１は制御手段であるコントロール部である。

４は本発明に係わる定着装置であり、加熱ローラ４１、ローラＢである加圧ローラ４２、分離ローラ４３、ローラＡである定着ローラ４４、無端ベルトＡである加熱ベルト４０、無端ベルトＢである加圧ベルト４５とを有しており、転写材Ｐを前記加熱ベルト４０と前記加圧ベルト４５を介して前記定着ローラ４４と前記加圧ローラ４２とを圧接してニップ部Ｔを形成し、無端ベルトＡと無端ベルトＢとの間に未定着トナー像を形成した転写材Ｐを通過させることにより、加熱、加圧によってトナー像が転写材Ｐ上に溶融、固着される。トナー像が定着された転写材Ｐは、ニップ部Ｔの末端で加熱ベルト４０から分離され、前記加圧ベルト４５上に持着され、片面、両面プリントいずれの場合も、分離ローラ４３で加圧ベルト４５から曲率分離され、定着ガイド４７に沿って定着装置４から排出される。なお、定着装置４の機構部の詳細については後述する。

不図示の操作パネルにおいて、片面（表面）画像形成モードが選択されたときは、表面画像の定着を終えた転写材Ｐは、そのまま直進して排紙ローラ８１から排紙トレイ８２上に排出され、或いは反転切替部材９２によって上下面の反転を行ったのち排紙ローラ８１から排紙トレイ８２上に排出される。また、両面画像形成のモード選択の場合には、以下に述べるプロセスにしたがって、他面（裏面）にもトナー画像を形成される。なお、ここで使用されるトナーはワックスを含有しているため、定着処理時にベルトからの離形成が優れているので、オイル塗布等をする必要はない。

すなわち、上述した表面の画像定着を終えた転写材Ｐは、反転切替部材９２を有する反転搬送路９０、スイッチバック経路９０ａ、第２反転搬送路９０ｂから構成されるＡＤＵ機構の、反転搬送路９０に沿って下降し、スイッチバック経路９０ａに一旦搬入されたのち搬出されて表面と裏面との反転が行われ第２反転搬送路９０ｂを通って、搬送部７に沿って再給紙され、シート材の傾きと偏りの補正を行うタイミングローラ７１によって転写材Ｐは一時停止を行ったのち中間転写ベルト２０上に再度形成された裏面画像のトナー像が転写ローラ２２によって転写材Ｐの裏面に転写されたのち分離搬送され、定着処理がなされて排紙ローラ８１から排紙トレイ８２上に排出される。

次に、定着装置４の詳細について図２を基に説明する。

図２は、図１における定着装置の拡大図である。

図３は、図２におけるＸＸ矢視断面を示す図である。

図２、図３において、加熱ローラ４１は、アルミの芯金４１１の外周にＰＦＡ樹脂を被覆したもので、加圧ローラ４２は、鉄の芯金４２１の外周に弾性層であるシリコーンゴム４２２をライニングし、さらに外周にＰＦＡ樹脂を被覆したもので、定着ローラ４４は、鉄の芯金４４１の外周に弾性層であるシリコーンスポンジ４４２をライニングしたものであって、当該定着ローラ４４の硬度は前記加圧ローラ４２の硬度より小さく設定されている。したがって、定着ローラ４４はニップ部Ｔにおいて、凹状に窪んだ形状になり、ニップ幅を広くできると共に、ニップ部Ｔの下流側での転写材の加熱ベルト４０からの分離を容易にしている。分離ローラ４３は、鉄の芯金４３１に発泡セラミック４３２をライニングし、さらにＰＦＡ樹脂を被覆したものである。加熱ベルト４０および加圧ベルト４５は、ＰＩ（ポリイミド）のベルト基板の外面にシリコーンゴムをライニングして、さらにその上にトナーの離型性の良いＰＦＡ樹脂を被覆したものである。

加熱ローラ４１および定着ローラ４４は、定着装置４の枠体４Ａに軸受けを介して支持されている。

加熱ベルト４０は、テンションローラ４０１を介して前記加熱ローラ４１と定着ローラ４４とに張架され、加熱ローラ４１の回転に伴って矢印Ｕ方向に走行する。加熱ローラ４１は、不図示の駆動源から動力を得て回転する不図示の駆動歯車と噛み合う、当該加熱ローラ４１と一体の歯車４１０によって回転する。また、加熱ローラ４１の空洞部に、定着装置枠体４Ａに絶縁部材を介して取り付けられた通電接片４１２に支持されたハロゲンヒータ４１１によって所定の温度まで加熱され、加熱ベルト４０に熱を与え、その温度は、前記加熱ローラ４１の表面に設置された接触の温度センサであるサーミスタセンサ４１Ａにより検出され、不図示のコントロール部に伝達され、当該コントロール部はハロゲンヒータ４１１をＯＮ、ＯＦＦすることによって、加熱ローラ４１の表面温度が規定の温度となるように制御している。

５は、加圧手段である。当該加圧手段５は、加圧ローラ４２、加圧ベルト４５、支持板５０Ａ、５０Ｂ、偏芯カム５１Ａ（５１Ｂ）、回転軸５１、バネ５２等から構成されている。

加圧ベルト４５は、不図示のテンションローラを介して前記加圧ローラ４２と分離ローラ４３に張架されている。また、分離ローラ４３の回転軸４３Ａは軸受けを介して定着装置４の枠体Ａに支持され、当該回転軸４３Ａの両端部には加圧ローラ４２を支持する支持板５０Ａ、５０Ｂが挿通され、また、当該支持板５０Ａ、５０Ｂは加圧ローラ４２が軸受けを介して支持している。なお、支持板５０Ａ、５０Ｂは、不図示のステイによって一体化され、回転軸４３Ａを支軸として回動可能となっている。また、前記支持板５０Ａ、５０Ｂは、回動軸５１に同位相に取り付けられた偏芯カム５１Ａ、５１Ｂにバネ５２を介して係合し、当該偏芯カム５０Ａ、５０Ｂの回転によって、前記支持板５０Ａ、５０Ｂは前記回転軸４３Ａを支点として、矢印Ｓ方向に回動し、加熱ベルト４０、加圧ベルト４５を介して、前記加圧ローラ４２を前記定着ローラ４４に加圧（圧接）または加圧（圧接）解除を行う。すなわち、前記トナー像を担持した転写材を定着処理するときには加圧し、定着処理が完了すると加圧解除となる。なお、回動軸５１は不図示の不図示の駆動源から所定のタイミングで回転力を得て回転する。

図４で前述したが、転写材分離点を２つの回転体の同じ位置にした方式では、定着処理の高速化に限界があり、また、主ニップ部下流で転写材を分離し、さらに通紙方向下流で加熱ベルトを張架する分離ローラの曲率の最大のところで、加熱ベルトから転写材を分離する方法では、主ニップ部において、トナーの溶融具合を非常に精度よく管理できないと、ベルトと転写材との接触が不安定なために、光沢ムラが発生しがちとなる。後者の方法では、転写材の重さやコシによってもベルトと転写材との接触が変化するため様々な転写材に対応できない。

本発明では、前述したように、定着ローラ４４の硬度を加圧ローラ４２の硬度より柔らかく設定することにより、表面プリント時に、ニップ部Ｔにおいて確実に加熱ベルト４０から分離が可能になり、光沢ムラも生じないし、転写後、加圧ベルト４５に沿って搬送された転写材は分離ローラ４３の位置で、分離ローラ４３の曲率を加圧ローラ４２より大きく（分離ローラの外径を加圧ローラの外径より小さく）規定されているので、両面プリント時の分離性能を確保でき、確実に曲率分離が可能である。因みに、分離ローラ４３の外径は、加圧ローラ４２の外径の１０〜８０％、または５〜２０ｍｍとすることが好ましい。

一方、裏面プリント時には、まず、ニップ部Ｔにおいて確実に加熱ベルト４５から分離され光沢ムラも生じない。加圧ベルト４５に沿って搬送された転写材は分離ローラ４３の位置で確実に加圧ベルト４２から曲率分離が可能である。ニップ部Ｔを通過後分離ローラ４３の位置まで転写材と加圧ベルト４５の接触は転写材の自重やワックスやトナーを介しての接着力により、ある程度安定しており、転写材の重さでコシが変化しても転写材と加圧ベルトの接触状況はあまり変わらない。また、加圧ベルト４２に接するトナー像は２回ニップ部Ｔを通過することで確実に加熱され表面に離型材であるワックスがトナー内部よりしみ出しているため、加圧ベルト４２との接触が前述した程度の不安性があれば光沢ムラは生じない。

以下、更に分離性能について図５を基に説明する。

図５は、加圧ローラと定着ローラとの押圧状態におけるニップ部断面形状を示す図である。

図５において、定着ローラ４４と加圧ローラ４２は弾性体であり、定着ローラ４４の硬度が加圧ローラ４２の硬度よりも小さい場合には、２つのローラが加熱ベルト４０および加圧ベルト４５を介して接することによるニップ部断面形状は、点線で示されたＰ１を中心とした仮想円Ｃのようになる。加圧ローラ４２が弾性体であるために、ニップ部断面形状は、加圧ローラ４２が定着ローラ４４に接しないときの外周面とは異なる。この状態で、ニップ部出口における仮想円Ｃの接線はＳ１のようになる。この時、加圧ベルト４５の延長線Ｓ２（加圧ローラ４２と分離ローラ４３間のベルト線と一致）と接線Ｓ１との角度をθと定義する。

一方、定着ローラ４４がハード部材（非弾性体）と仮定した場合、ニップ部出口における加圧ローラ４２（中心点Ｐ２）の接線はＳ３のようになる。この時、加圧ベルト４５の延長線Ｓ２と接線Ｓ３との角度をθ’と定義する。

次に、分離ローラ４３を上下に振ることによって角度θ、θ’を変え、定着ベルト４４への巻き付きと光沢ムラについて確認実験を行った。

通紙には、コート紙の片面全面に未定着トナーをのせ、ニップ部Ｔに未定着トナーが接するような定着処理を行い、表１のような結果が得られた。

表１において、角度θ、θ’のマイナス（−）表示は、分離ローラ４３を定着ローラ４４側に振り上げることにより接線Ｓ１、Ｓ３が延長線Ｓ２の下側になることを表示している。

ランク１：定着ベルトに紙が巻き付くことなく、画像乱れもない。

ランク２：定着ベルトに紙が巻き付くことはないが、僅かな光沢ムラを観察。

ランク３：定着ベルトに紙が巻き付くことはないが、かなりの光沢ムラ観察。

ランク４：定着ベルトに紙が巻き付きジャム発生。

ただし、ランク２の僅かな光沢ムラは、定着ベルトに若干巻き付き気味によるものと考えられるが、画像としては満足できるレベルにある。

したがって、図５においては、θ、θ’が０°（接線Ｓ１またはＳ３が延長線Ｓ２と一致）かそれ以上のときに、巻き付き、および光沢ムラを回避できることが確認できた。

デジタル方式を用いた複合機能を有する画像記録装置である。 図１における定着装置の拡大図である。 図２におけるＸＸ矢視断面を示す図である。 ベルトを使用した定着装置の概略を示す示す図である。 加圧ローラと定着ローラとの押圧状態におけるニップ部断面形状を示す図である。

符号の説明

１ 画像形成装置
４ 定着装置
４０ 加熱ベルト
４１ 加熱ローラ
４１Ａ サーミスタセンサ
４２ 加圧ローラ
４３ 分離ローラ
４４ 定着ローラ
４５ 加圧ベルト
５ 加圧手段
５０Ａ、５０Ｂ 支持板
５１ 回転軸
５１Ａ、５１Ｂ 偏芯カム

Claims (5)

1. 加熱ローラと弾性層を有するローラＡとに張架された、外側表面にトナー離型層を有する無端ベルトＡと、弾性層を有するローラＢと分離ローラとに張架された外側表面にトナー離型層を有する無端ベルトＢとからなり、前記ローラＡと前記ローラＢとを前記無端ベルトＡ、Ｂを介して互いに圧接させてニップ部を形成し、当該ニップ部で前記無端ベルトＡと無端ベルトＢとの間に、未定着トナー像を形成する転写材を通過させて定着した後、当該転写材を前記分離ローラで前記無端ベルトＢから分離し、さらに、もう片面に未定着トナー像を形成した転写材を定着する定着装置を有する両面画像形成可能な画像形成装置において、前記分離ローラの外径は前記ローラＢの外径より小さく、ローラＡとローラＢによる断面形状の仮想円のニップ部出口での接線が、ローラＢと分離ローラとの間の無端ベルトの線と一致するか、ローラＡ側にあり、ローラＡの硬度がローラＢの硬度より小さいことを特徴とする画像形成装置。
2. ローラＢのニップ部出口での接線が、ローラＢと分離ローラとの間の無端ベルトの線と一致するか、ローラＡ側にあることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記分離ローラの外径は前記ローラＢの外径の１０〜８０％であることを特徴とする請求項１ないし２のいずれか１項に記載の画像形成装置。
4. 前記分離ローラの外径は５〜２０ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の画像形成装置。
5. ワックスが含有されたトナーを使用する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の画像形成装置。

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