JP2005164721A - 定着装置、及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 記録材S表面の微小な凹凸の影響を受けない高品質な定着ができ、且つ立ち上がり時間が短く、省エネである定着装置、及び画像形成装置を提供する。
【解決手段】 定着装置１０９がニップ部で記録媒体Sのトナー像と接触する定着ベルト２の表面の押し込み深さ１０μｍにおけるユニバーサル硬さをＨＵとし、ニップ部における最も面圧が高くなる箇所の面圧を最大ニップ部面圧Ｐとすると、定着ベルト２の温度が定着時のニップ部の温度である定着設定温度の時、ユニバーサル硬さＨＵが、０．５（Ｎ／ｍｍ^２）≦ ＨＵ ≦２．２（Ｎ／ｍｍ^２）という関係を満たし、且つ、ユニバーサル硬さＨＵとニップ部の最大ニップ部面圧Ｐとが、０．０６２・ＨＵ（Ｎ／ｍｍ^２）≦ Ｐ ≦０．１６（Ｎ／ｍｍ²）という関係を満たす
【選択図】 図２

Description

本発明は、表面移動する２つの表面移動体の当接によって形成したニップに記録体を挟み込んで、その記録体に可視像を定着せしめる定着装置、及びこれを用いる画像形成装置に関するものである。

従来、画像形成装置においては、像担持体上の潜像が現像装置から供給されたトナーによって現像され、像担持体上に顕像としてのトナー像が形成される。この像担持体上のトナー像は転写装置によって転写材に転写され、定着装置によって転写材上に定着される。この定着装置の定着手段としては、２つ以上の支持部材に張架され無端移動する定着ベルトと、この定着ベルトに所定の圧力で付勢し、ニップ部を形成する加圧ローラとによって構成されるものがある。このような定着装置としては、定着ベルトを加熱した状態で、加圧ローラと定着ベルトとによって加圧することにより、熱および圧力により記録材上のトナー像を記録材に定着させるものが知られている。

ところで、カラー機の高画質化には定着部材上に弾性層を設ける必要がある。定着部材が表層に弾性層を有しない剛体で形成された場合は、定着時接触面は紙などの記録媒体上の微小な凹凸に対しては追従しないので、密着接触ができずに微小な光沢ムラなどの画質劣化という問題が生じる（この微小な光沢ムラのことを「柚肌」と呼ぶこともある）。この問題は、特にモノクロ機では問題とならないレベルでも、カラー機では特に顕著に現れる。よって、カラー機の高画質化には定着面に弾性を持たせる必要がある。
そこで、従来、定着部材表面のゴム硬度（ＪＩＳ−Ａ硬度など）に着目し、柚肌を解決しようとした発明が提案されている（例えば、特許文献１）。しかし、実際はニップに低荷重をかける定着方式においては、柚肌が発生する。このことから、柚肌を防止するには、一定以上の圧力が必要であることが分かる。

一定以上の圧力により定着を行うものとして、例えば特許文献２に記載されているものがある。特許文献２などに記載されている定着装置の概要を図８に示す。
この定着装置２１０は定着体たる定着ローラ２０１と、加圧体たる加圧ローラ２０２と、加熱手段であるヒーター２０５とを備え、定着ローラ２０１は外周が剛性を有する基材たる芯金２２１上に離型層２２２を設けて形成されている。また、加圧ローラ２０２は中実の芯金２０６の外側にシリコーンゴムの弾性層２２３を設け、その上に離型層としてＰＦＡチューブ２２４をかぶせている。この定着装置ではヒーター２０５で加熱された定着ローラと加圧ローラとによって、０．２〜１．０Ｎ／ｍｍ^２の面圧で加圧されている。このような定着装置であれば、ヒーター２０５によって充分に加熱され、０．２Ｎ／ｍｍ^２以上という大きな面圧が生じるため、記録材表面上の微小な凹凸に起因する光沢ムラなどの画質の乱れが起こりにくい。
しかし、微小な凹凸による柚肌が発生しないように、０．２Ｎ／ｍｍ^２以上という大きな面圧を生じさせるため、定着ローラ２０１には高荷重を加える必要がある。さらに、定着には充分に広いニップ幅が必要であり、必要な幅のニップ部を得るためには充分な厚さの弾性層または、充分にやわらかい弾性層が必要である。ここで充分にやわらかい弾性層を採用すると、高荷重を加えても弾性層が広がることになり面圧（荷重／ニップ部の面積）の上昇を妨げるため不適である。このように、定着に必要な充分に広い幅のニップを形成し、かつ柚肌を防ぐためには、充分な厚さの弾性層と高荷重によるたわみを発生させないような剛性を有する芯金径あるいは芯金肉厚とが必要となる。弾性層を厚くし、芯金径または芯金肉厚を大きくすると熱容量が大きくなり、定着部材の温度が所定の温度まで達するまでの時間（以下、立ち上がり時間）が長くなる。そこで、立ち上がり時間を短くするため、予熱によりある程度の温度を維持しつづけるものも考えられるが、これは省エネの観点から好ましいものではない。

また、特許文献３のように、ニップ部の定着ベルトの内側に定着ベルトを加熱する熱源を設ける構成のオンデマンド定着と呼ばれる定着方法がある。これは、熱を必要とするニップ部を直接加熱するため、立ち上がり時間が少なくてすむ。さらに予熱を必要としないため、省エネの観点からも問題はない。
しかしながら、ニップ部に熱源を設置する構造上、微小な凹凸に影響を受けないための必要面圧をかけることが困難である。低荷重で記録剤表面の微小な凹凸に起因する光沢ムラどの画質の乱れの防止を実現するためには、定着部材表層をやわらかくする必要がある。しかし、その為にゴム層を厚く設けると熱容量増加になるので、立ち上がり時間が長くなり、オンデマンド定着は実現できなくなる。

特開平１０−１９８２０１号公報 特開２００２−７２７５２号公報 特開平０８−０７６６２０号公報

以上のように、立ち上がり時間が短く、省エネであることと、記録材表面の微小な凹凸の影響を受けない高品質な定着ができることとを、両立することは困難であった。

本発明は、以上の問題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、記録材表面の微小な凹凸の影響を受けない高品質な定着ができ、且つ立ち上がり時間が短く、省エネである定着装置、及び画像形成装置を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、無端移動するように構成された２つの無端移動体によりニップ部を形成し、記録材に担持されたトナー像を該ニップ部で熱及び圧力により記録材に定着させる定着装置において、該ニップ部で該記録材上の該トナー像と接触する無端移動体を定着部材とし、該トナー像と接触する該定着部材表面の押し込み深さ１０μｍにおけるユニバーサル硬さをＨＵとし、ニップ部における最も面圧が高くなる箇所の面圧をニップ部最大面圧Ｐとすると、定着部材の温度が定着時のニップ部の温度である定着設定温度の時、ユニバーサル硬さＨＵが、
０．５（Ｎ／ｍｍ^２）≦ ＨＵ ≦２．２（Ｎ／ｍｍ^２）
という関係を満たし、且つ、ユニバーサル硬さＨＵとニップ部のニップ部最大面圧Ｐとが、
０．０６２・ＨＵ（Ｎ／ｍｍ^２）≦ Ｐ ≦０．１６（Ｎ／ｍｍ²）
という関係を満たすことを特徴とするものである。
また、請求項２の発明は、請求項１の定着装置において、上記定着部材が２つ以上の支持部材に張架され無端移動するベルト構造であることを特徴とするものである。
また、請求項３の発明は、請求項１の定着装置において、上記定着部材が回転軸を中心に回転することでその表面を無端移動させるローラ構造であることを特徴とするものである。
また、請求項４の発明は、請求項２の定着装置において、上記ニップ部の搬送方向上流側端部をニップ入口部、搬送方向下流側端部をニップ出口部とし、ニップ入り口部からニップ出口部までのニップ部面圧分布のうち、ニップ部中央部よりもニップ出口部側に最大ニップ面圧となる箇所を有することを特徴とするものである。
また、請求項５の発明は、請求項１、２、３または４の定着装置において、上記定着部材は上記トナー像と接触する面にトナーに対する剥離性を有する離型層を有し、該離型層の内側に弾性材料によって構成される弾性層を有することを特徴とするものである。
また、請求項６の発明は、請求項５の定着装置において、上記弾性層が２００℃の熱に絶え得る耐熱性を有する弾性材料によって構成されることを特徴とするものである。
また、請求項７の発明は、請求項５または６の定着装置において、上記弾性層の層厚が３００μｍ以下であることを特徴とするものである。
また、請求項８の発明は、請求項５、６または７の定着装置において、上記離型層の材料が四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、四フッ化エチレン・パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂（ＰＦＡ）及び四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体樹脂（ＦＥＰ）のうち、少なくとも1つを成分として含んでいることを特徴とするものである。
また、請求項９の発明は、請求項５、６、７または８の定着装置において、上記離型層の層厚が３０μｍ以下であることを特徴とするものである。
また、請求項１０の発明は、請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９の定着装置において、上記トナー像を形成するトナーとして、少なくとも結着樹脂、着色剤、及びワックスを含有したトナーを用いることを特徴とするものである。
また、請求項１１の発明は、像担持体と、像担持体上に潜像を形成する潜像形成手段と、該像担持体上の潜像を現像しトナー像を形成する現像手段と、該像担持体上のトナー像を転写材上に転写する転写手段と、該転写手段により転写材に転写されたトナー象を定着する定着手段とを備える画像形成装置において、該定着手段として、請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９または１０の定着装置を用いることを特徴とするものである。

上記請求項１乃至１１の定着装置においては、定着部材の表面のユニバーサル硬さＨＵが請求項１に記載の範囲内であるので、定着部材の表面は微小な変形に対応することができる。そして、ニップ部における面圧が従来の定着装置と比べて低い値でも、定着部材の表面が、記録材表面の微小な凹凸に追従した変形を行うことができ、記録材表面に均一な定着を行うことができることが実験により明らかになった。
このことから、ニップにおける面圧を低く設定することができるので、高面圧がかかることによる定着部材の耐久性を考慮して、定着部材のベルト基材や弾性層の層厚を厚く設定する必要がなく、定着部材の熱容量を抑えることができる。

請求項１乃至１１の発明によれば、定着部材の熱容量を抑えつつ、記録材に均一な定着を行えるので、記録材表面の微小な凹凸の影響を受けない高品質な定着ができ、立ち上がり時間の短縮、省エネ化ができるという優れた効果がある。

〔実施形態１〕
以下、本発明を画像形成装置に適用した第１の実施形態（以下、実施形態１と呼ぶ）について説明する。図１は、実施形態１にかかる画像形成装置としての電子写真方式のフルカラープリンタを示す。図１において、箱状の装置本体１０１内には複数個の像担持体ユニットとしての感光体ユニット１０２Ｙ、１０２Ｍ、１０２Ｃ、１０２Ｋがそれぞれ装置本体１０１に着脱可能に装着されている。装置本体１０１内の略中央部には、転写部材であり記録材担持体となる転写ベルト１０３を有する転写手段６０が配置されている。転写ベルト１０３は、その１つに回転駆動力が伝達される複数のローラに架け渡されて矢印Ａで示す方向に回転駆動可能に設けられている。転写ベルト１０３は、像担持体としてのドラム状の感光体１０４Ｙ、１０４Ｍ、１０４Ｃ、１０４Ｋの表面に圧接可能に設けられている。実施形態１にかかる転写手段６０には、接触転写方式が採用されている。

感光体ユニット１０２Ｙ、１０２Ｍ、１０２Ｃ、１０２Ｋは、感光体１０４Ｙ、１０４Ｍ、１０４Ｃ、１０４Ｋを有し、各感光体の表面が転写ベルト１０３と接触するように、同ベルトの上方に配設されている。感光体ユニット１０２Ｙ、１０２Ｍ、１０２Ｃ、１０２Ｋの配列は、感光体ユニット１０２Ｙを記録材給送側とし、感光体ユニット１０２Ｋが定着装置１０９側に位置するように１０４Ｙ、１０４Ｍ、１０４Ｃ、１０４Ｋの順となっている。感光体としては、ベルト状の感光体を用いてもよい。

感光体１０４Ｙ、１０４Ｍ、１０４Ｃ、１０４Ｋとの対向側には、現像手段となる現像装置１０５Ｙ、１０５Ｍ、１０５Ｃ、１０５Ｋがそれぞれ配置されている。現像装置１０５Ｙ、１０５Ｍ、１０５Ｃ、１０５Ｋは、複数色の２成分下能材を有する。例えばイエロー（以下Ｙという）、マゼンタ（以下Ｍという）、シアン（以下Ｃという）、ブラック（以下Ｋという）の各トナーとキャリアである。そして、、それぞれ感光体１０４Ｙ、１０４Ｍ、１０４Ｃ、１０４Ｋ上に形成される静電潜像に供給して各静電潜像を現像するものである。

感光体ユニット１０２Ｙ、１０２Ｍ、１０２Ｃ、１０２Ｋの上方には、露光手段としての書き込み装置１０６が配置されている。感光体ユニット１０２Ｙ、１０２Ｍ、１０２Ｃ、１０２Ｋの下方には、両面ユニット１０７が配置されている。両面ユニット１０７の下方には、サイズの異なる記録材としての記録媒体Ｓが収納可能なカセット１３、１４が配設されている。装置本体１０１の左側には反転ユニット１０８が配置され、装置本体１０１の右側には手差しトレイ１５が矢印Ｂ方向に開閉可能に設けられている。定着装置１０９の記録材搬送方向下流側には反転搬送路１１０が分岐して形成され、記録媒体Ｓを反転搬送路１１０に配置された排出ローラ１１１によって装置上部に設けられた外部トレイ１１２に案内している。

感光体ユニット１０２Ｙ、１０２Ｍ、１０２Ｃ、１０２Ｋは、感光体１０４Ｙ、１０４Ｍ、１０４Ｃ、１０４Ｋ上にＹ、Ｍ、Ｃ、Ｋ各色に対応するトナー像を形成するためのユニットである。そして、各感光体を帯電する帯電手段としての帯電装置８０Ｙ、８０Ｍ、８０Ｃ、８０Ｋを付設されている。感光体ユニット１０２Ｙ、１０２Ｍ、１０２Ｃ、１０２Ｋおよび帯電装置８０Ｙ、８０Ｍ、８０Ｃ、８０は、装置本体１０１に配置される場所を除いては同一構成となっている。帯電装置８０Ｙ、８０Ｍ、８０Ｃ、８０Ｋは、対応関係の感光体の表面を均一に帯電するもので、感光体の表面に接触する帯電部材としての一般的な帯電ローラを備えている。

両面ユニット１０７は、対をなす搬送ガイド４１、４２と、複数の搬送ローラ対４３を備えている。両面ユニット１０７は、記録媒体Ｓの両面に画像を形成する両面画像形成モード時に、片面に画像が形成されてから反転ユニット１０８の反転搬送路４４に搬送されてスイッチバック搬送される。これにより、表裏が反転される記録媒体Ｓを受け入れ、これを感光体１０４Ｙ、１０４Ｍ、１０４Ｃ、１０４Ｋと転写ベルト１０３との間に形成される転写部へと再搬送する。

反転ユニット１０８は、複数の搬送ローラと、複数の搬送ガイド板とからなり、両面画像形成モード時に片面画像形成後の記録媒体Ｓを、その表裏を反転させて両面ユニット１０７へ送り出す機能を備えている。さらに、画像形成後の記録媒体Ｓをそのままの向きで機外へ排出する機能、画像形成後の記録媒体Ｓを、その表裏を反転させて機外へ排出する機能を備えている。カセット１３、１４が配置されている記録材給送部には、カセット１３、１４上の記録媒体Ｓを１枚ずつに分離して給送する記録材分離部４５、４６が設けられている。転写ベルト１０３の内側には、転写手段としての転写ブラシ４７、４８、４９、５０が感光体１０４Ｙ、１０４Ｍ、１０４Ｃ、１０４Ｋに対向するように設けられている。

実施形態１では、図示しない操作部により画像形成が指示されると、感光体１０４Ｙ、１０４Ｍ、１０４Ｃ、１０４Ｋが図示しない駆動源により回転駆動されて時計回り方向に回転する。感光体ユニット１０２Ｙ、１０２Ｍ、１０２Ｃ、１０２Ｋの各帯電ローラは、図示しない電源から帯電バイアスが印加されて感光体１０４Ｙ、１０４Ｍ、１０４Ｃ、１０４Ｋをそれぞれ一様に帯電させる。感光体１０４Ｙ、１０４Ｍ、１０４Ｃ、１０４Ｋは、それぞれ帯電ローラにより一様に帯電された後に書き込み装置１０６にて、Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋ各色の画像データで変調されたレーザ光により露光されて、各表面に静電潜像が形成される。これら感光体１０４Ｙ、１０４Ｍ、１０４Ｃ、１０４Ｋ上の静電潜像は、現像装置１０５Ｙ、１０５Ｍ、１０５Ｃ、１０５Ｋの現像剤担持体より現像されてＹ、Ｍ、Ｃ、Ｋ各色のトナー像となる。

カセット１１３、１１４のうち選択された方のカセットからは、１枚の記録媒体Ｓが分離されて、感光体ユニット１０２Ｙよりも記録材給送部側に配設されたレジストローラ５１へ給送される。実施形態１では、装置本体１０１の右側に手差しトレイ１１５が配置され、この手差しトレイ１１５からも記録媒体Ｓがレジストローラ５１へ給送可能とされている。レジストローラ５１は、これら記録媒体Ｓを感光体１０４Ｙ、１０４Ｍ、１０４Ｃ、１０４Ｋ上のトナー像と先端が一致するタイミングで転写ベルト１０３上へ送り出す。送り出された記録媒体Ｓは、吸着ローラ５２によって帯電される転写ベルト１０３に静電的に吸着されて各転写部へと搬送される。

搬送された記録媒体Ｓには、各転写部を順に通過する際に、転写ブラシ４７〜５０により感光体１０４Ｙ、１０４Ｍ、１０４Ｃ、１０４Ｋ上のＹ、Ｍ、Ｃ、Ｋ各色のトナー像が順次に重ね合わせて転写される。これにより、４色重ね合わせのフルカラートナー像が形成される。フルカラートナー像が形成された記録媒体Ｓは、定着装置１０９によりフルカラートナー像が溶融定着される。そして、その後は指定されたモードに応じた記録材排出路を通って外部トレイ１１２に反転排出される場合や、定着装置１０９から直進して反転ユニット８内を通ってストレートに排出される。

画像形成装置において、両面画像形成モードが選択されているときには、記録媒体Ｓは、片面にトナー像が形成されて定着装置１０９でトナー像が定着された後に、反転ユニット１０８内の反転搬送路４４内に送り込まれる。その後、ここでスイッチバックされてから両面ユニット１０７に搬送され、そこから再給送されて表面画像形成時と同様に裏面に画像が形成されて排出される。

以上の作像動作は、４色重ね合わせのフルカラーモードが図示しない操作部で選択されたときの動作である。ところで、３色重ね合わせのフルカラーモードが操作部で選択されたときにはＫトナー像の形成が省略されてＹ、Ｍ、Ｃ３色のトナー像の重ね合わせによるフルカラー画像が記録媒体Ｓ上に形成される。また、白黒画像形成モードが操作部で選択されたときには、Ｋトナー像の形成のみが行われて白黒画像が記録媒体Ｓ上に形成される。

次に、実施形態１における定着装置１０９について説明する。図２に示す定着装置１０９において、定着ベルト２は３本の支持部材５、１、７に張架されており、それぞれ加熱ローラ５、バックアップローラ７、押圧部材１である。加熱ローラ５にはハロゲンヒータ６のような熱源が内包されており、定着ベルトを内側から加熱する。加圧ローラ３は定着ベルトに対向配置されており、定着ベルトを介して加圧ローラの外側に沿って当接しているバックアップローラ、押圧部材に対して押し当てられている。押圧部材は回転しない固定部材であり、定着ベルトの内側と接触摺動している。押圧部材の表層には摺動抵抗を低減させるための低摩擦係数の摺動部材８が設けられ、内側にはスポンジ等の断熱性を持つ弾性層を有しており、加圧ローラとの圧力当接部で定着ニップを形成している。また、バックアップローラ７の表層にはスポンジ等の断熱性を持つ弾性層を有し、加圧ローラとの圧力当接部で定着ニップを形成している。加圧ローラの表層はテフロン（登録商標）等の離型層を有し、その内側にはバックアップローラ、押圧部材の弾性層よりも硬度が高いシリコーンゴム等の弾性層を有している。

図３は上記定着ベルト２の断面を示す。定着ベルトの内側から、基材層２ｃ、弾性層２ｂ、離型層２ａと積層されている。定着ベルトの基体には、耐熱性樹脂や、金属から形成されたエンドレスのベルト状基体が用いられている。耐熱性樹脂の材質としては、ポリイミド、ポリアミドイド、ポリエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等を使用し、金属ベルトの材質としては、ニッケル、アルミニウム、鉄等を使用する。厚さは５０〜１２５μｍが望ましく、これより薄い場合は充分な強度が得られず耐久性が低い、剛性が低くなり回転するベルトの搬送性が悪くなる。このような問題が生じ、逆に厚い場合は定着ベルト自体の熱容量が大きくなってしまうので、定着装置全体の高速な立ち上がりを阻害してしまう。定着ベルト表面は、トナーを保持した転写紙等のシート状記録媒体と加圧接触するため、離型性が必要であり、また、耐熱性、耐久性に優れたものが好ましい。そのため、定着ベルト表層は耐熱離型層（四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、四フッ化エチレン・パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂（ＰＦＡ）、及び四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体樹脂（ＦＥＰ）等）が被覆された構成になっている。また、基体と離型層の間には耐熱性弾性層を有し、材料はシリコーンゴムなどで構成されている。

バックアップローラ及び加圧ローラは図示しない駆動機構により回転駆動される。温度センサは、定着ベルトに当接され、表面温度（定着温度）を検知し制御を行う。トナーを保持した転写紙等のシート状記録媒体は、定着ベルトと加圧ローラとのニップ群を通過する際に加熱及び加圧を受け、トナーが定着される。

押圧部材、定着ローラと加圧ローラとの当接によって形成される２つのニップ幅を搬送方向の上流側からそれぞれ第１ニップＡ、第２ニップＢとすると、第１ニップＡに比べて第２ニップＢのほうが面圧が高い構成を採っている。また、第２図中の第１ニップＡ、第２ニップＢに対し、両者の間に挟まれる、加圧ローラと定着ベルトのみで形成されるニップ部ＣをベルトニップＣと呼ぶこととする。

次に、このような定着装置で起こりうる、記録媒体Ｓの表面上の微小な凹凸に起因する光沢ムラなどの画質の乱れの発生のメカニズムについて説明する。図４（ａ）は、未定着トナーＴを担持した記録媒体Ｓの微小な範囲の拡大断面模式図である。トナーの粒径Ｌ２は数μｍのであるのに対して、一般的な紙の表面は繊維の露出によりＬ１＝１０〜２０μｍ程度の凹凸を有している。図４のように、紙の上に転写されたトナーが付着しており、定着装置によってトナーが紙上に定着がなされる。光沢ムラを発生させないためには、図４（ｃ）に示すように、定着ベルト２の表面が、紙表面上の凹凸に追従して変形し、トナーが紙凹凸に沿って均一な定着され、均一性のある光沢画像であることが求められる。そのためには定着部材の表層が凹凸に充分追従するために必要な微小領域での柔らかさを有している必要がある。また、表層をいくら柔らかくしても、圧力が低すぎれば凹凸に追従させることができないので、同時に一定以上の圧力が条件として必要であることもわかる。

逆に定着部材の表層に弾性層を有せず硬すぎる場合は、図４（ｂ）に示すようにいくらニップ内で圧力をかけたとしても、記録媒体Ｓの微小な凹凸には追従できずに、紙面上の凸部ｄは押圧がなされるが、凹部ｅには押圧がなされない。このため凸部ｄでトナーは熱と圧力で定着がなされるため、滑らかで光沢のある画像になる。一方凹部ｅでは熱のみで定着がなされる。熱によってトナーが溶け、圧力を受けずに固まってしまうので、滑らかにはならない。この結果、凸部と凹部とでは光沢に差があらわれ、不均一な光沢ができてしまう。
このような、微小な領域での硬さはマクロ的な硬さの特性値であるゴム硬度では記述されず、ミクロ的な特性値であるユニバーサル硬さによって記述される。

次に、実施形態１で表面の硬さの指標として用いた、ユニバーサル硬さ（ＨＵ）について説明する。
ユニバーサル硬さ ＨＵ（Ｎ／ｍｍ^２）＝（荷重）／（測定端子が刺さった部分の断面積）である。これは、国際標準化機構ＩＳＯ１４５７７（ドイツ連邦規格ＤＩＮ ５０３５９）に準拠している規格である。超微小領域での押込み負荷時の荷重−変位挙動を連続的に記録することにより、従来の硬さ測定に比べると表面皮膜物性をより詳細に記述できるという特徴がある。
なお、実施形態１で引用されている実験においては測定端子にはビッカース圧子を使用した。このユニバーサル硬度に言及している発明もあるが（特開２００３−７６１６７、特開２００３−９８８７１等）、いずれも圧力との相関については触れられていない。

本発明者は、図２、図３のようなベルトを使用した定着装置での記録媒体Ｓの表面上の微小な凹凸に起因する光沢ムラなどの画質の乱れの発生について検討した。すると、定着ニップの出口部である第２ニップの圧力と定着ベルト表層のユニバーサル硬さが柚肌の発生に影響を及ぼす因子であることを突き止めた。それらの関係を図５に示す。

前述したように定着装置で発生する画像乱れが、紙の微小な凹凸に対するベタ画像表面の追従性が悪いときに光沢ムラが生じる。この微小な凹凸とは、紙の表面を顕微鏡観察することによって確認できるが、標準的に用いている紙においては、１０〜２０μｍ程度の高さや間隔を持った凹凸である。また、その上に積層されるトナー画像の厚みもカラー画像で１０〜２０μｍ程度である。そこで、本検討では定着部材の表層硬度測定に、超微小硬さ測定である「ユニバーサル硬さ測定」を適用した。この硬さ測定では、皮膜の厚みが１μｍ以上あれば、規格下での硬さ評価ができるので、従来のマイクロゴム硬度計などでは限界のあった１０〜２０μｍ程度の押し込み深さでの硬さ測定も可能である。図５に示したユニバーサル硬さは、前述したこと紙表面の凹凸の高さを勘案して、押し込み深さ１０μｍ時の測定値を採用した。また、ユニバーサル硬さは材料によっては温度依存性が大きいので、測定値は実際の定着温度でのものとする。その結果、前述のとおり、光沢ムラなどの画像の乱れの発生とユニバーサル硬さとの相関が得られた。

図５は７種類の定着ベルトでユニバーサル硬さを計測し、面圧変化させ、ユニバーサル硬さを横軸、面圧を縦軸にとり、画質についての評価をプロットの種類で表したものである。図５の中の（１）〜（７）の数字は7種類の定着ベルトに割り振ったベルトナンバーであり、各定着ベルトの弾性層、離型層の材料及びそれぞれの層厚を表１に表す。これらの定着ベルトを用いて、下記の実験条件にて、図５を求めた。

〔実験条件〕
・定着ベルト２：基材９０μｍ＋表１の弾性層と離型層。
・入り口固定パッド４：高さ５ｍｍのスポンジシート（ニップ幅：４．５ｍｍ、総荷重：３９．２Ｎ）
・出口ローラ７： φ２４ｍｍ（表層：スポンジ：ＡｓｋｅｒＣ５３、芯金：鉄）
・加圧ローラ： φ４０Ｆｅ（表層：ゴム０．５ｍｍ＋ＰＦＡ３０μｍ：ＡｓｋｅｒＣ９４、芯金：鉄）
・出口ニップ総荷重： ３９．２〜１９６Ｎ
・紙種：ＲＩＣＯＨ Ｔｙｐｅ６０００ ７０Ｗ
・温度：１６０℃を標準条件としたが、１５０〜１７０℃の範囲でも、ユニバーサル硬度やランク判定において変化がないことを確認している。
・ニップ時間：４０ｍｓ(ニップＢ基準)を標準条件としたが、４０〜１００ｍｓの範囲でランク判定において変化がないことを確認している。
・ベルト表面粗さ：Ｒａ０．１〜１．０μｍ
・ユニバーサル硬度は（１）〜（７）の各定着ベルトごとに一定値である。
・最大面圧の範囲：トナーを定着させるために必要と考えられる０．０５（Ｎ／ｍｍ^２）を下限とし、従来の定着装置と比較して面圧の低い状態ということが前提であるので、０．１４（Ｎ／ｍｍ^２）を上限とした。
最大面圧は、複数の部材でニップ部を構成し、ニップ部の各部材が対応する箇所ごとにその面圧を異ならしめる場合に、それぞれの部材の対応箇所ごとに平均面圧を求め、その平均面圧の中で最大のものを言う。
そして、ニップ部の平均面圧はその対象となるニップ部に加わる全荷重（Ｎ）を、その荷重によって構成されたニップ部の面積（ｍｍ^２）で除して求められる値である。
図２に示す実施形態１では、第２ニップＢが最も面圧が高くなる構成を採っているので、ここでの最大面圧は第２ニップ部Ｂでの平均面圧である。

以上の実験条件で実験を行った結果、画質ランク４以上を許容できる画質であるとすると、図５に示した、Ｐ＝０．０６２・ＨＵの直線よりも上のプロットであれば、光沢ムラ等の乱れがない画質を得ることができた。そして、定着ベルトのユニバーサル硬さＨＵが２．２Ｎ／ｍｍ^２以下であれば、最大面圧であるニップ出口部の面圧が、０．１４Ｎ／ｍｍ^２未満という比較的低面圧の定着で記録媒体Ｓの表面の凹凸の影響を防止できるという事実を示している。このようなユニバーサル硬さを達成するための材料構成としては、離型層にＰＦＡ３０μｍ以下、弾性層にＪＩＳ−Ａ３０Ｈｓのシリコーンゴムの場合、３００μｍが必要である。基本的に離型層に用いる材料の方が弾性層に用いる材料よりも剛性が高いので、離型層は耐久性を損なわない程度にできるだけ薄いことが求められる。一方、シリコーンゴムは厚いほど弾性が上がるが、熱容量や画像表面への熱応答性を勘案した場合、３００μｍが限度である。検討結果より３００μｍ以下にするにはシリコーンゴムの場合で硬さをＪＩＳ−Ａ３０Ｈｓ以下のものにすることが必要である。

次に、実施形態１の変形例について説明する。図６に示す定着装置では、押圧部材１表面の弾性部材４が定着ベルト２の内側に接するように定着ベルト２の内部に設置される。そして、押圧部材に対向して設置された加圧ローラ３が定着ベルトを介して、図示しない加圧手段により一定の加圧力で押し当てられている。すなわち、押圧部材の弾性部材と加圧ローラが定着ベルトを介して圧接することにより定着ニップを形成している。押圧部材にはバネなどの図示しない加圧手段により一定の加圧力が付与されているが、定着ニップ部内の圧力分布が入口側よりも出口側の方が高くなるようにしてある。例えば、押圧部材の定着ニップ入口側４ｂ、出口側４ａ、それぞれの裏側から異なるバネを用いて、圧力分布が出口側の方が高くなるようにする。または、４ｂをスポンジゴム、４ａを硬いゴムを用いることにより、出口側の押圧部材４ａ側の面圧を高めることができる。

加圧ローラを駆動することにより、定着ベルトは図６に示す方向に連れ回り、回転する。定着ベルトは内部で弾性部材とそれを内包する押圧部材と摩擦摺動して回転する。定着ベルトはハロゲンヒータ６により加熱される加熱ローラ５に懸架され、接触面で加熱される。早急な立ち上がりを実現させるため、加圧ローラと加熱ローラは肉厚が１ｍｍ以下の薄肉ローラからなる。
図６に示す変形例では、出口側の押圧部４ａ側の面圧を高める構成を採っているので、ここでの最大面圧は、押圧部材４ａと加圧ローラ３のよって形成されるニップ部の平均面圧である。

以上、実施形態１によれば、定着ベルト２の表面が記録材Ｓ表面の微小な凹凸に追従して変形でき、定着ベルト２熱容量を抑えることができるので、品質が高い定着ができ、且つ立ち上がり時間の短縮と省エネとを実現できる。言い換えると、省エネ・立ち上げ時間短縮のために低面圧としても、記録材表面の微小な凹凸に起因する光沢ムラ等の画質の乱れを防止することができる。
また、定着ベルト２はベルト構造であるので、バックアップローラ７や、押圧部材1の位置や材質を変更することができるので、ニップ部において面圧のピークの位置を設定することができる。
また、定着ベルト２と加圧ローラ３とのニップ部のピークを領域Ｂにすることにより、領域Ａ、Ｃで熱により充分にやわらかくなったトナーを、最大面圧で定着させるので、より高品質な定着を行うことができる。
また、定着ベルト２が、離型層２ａを有することで、記録媒体Ｓ上のトナーが定着ベルト表面に移動することを防止できる。また、弾性層２ｂを有することで、定着ベルト２の表面を記録媒体Ｓの表面に追従して変形させることができ、高品質な定着を行うことができる。
また、弾性層２ｂにシリコーンゴム使用することにより、定着部材表層に必要な柔軟性と、一般的な定着設定温度（〜２００℃）に対する耐熱性を両立させることができる。
また、弾性層２ｂの層圧３００μｍ以下に抑えることで、定着ベルト２の熱容量を下げることができ、立ち上がり時間の短縮と省エネを実現することができる。また、離型層２ａがＰＴＦＥ、ＰＦＡまたはＦＥＰの少なくとも１つを含んでいるため、オイルレス定着工程における定着部材表層に必要な柔軟性とトナー離型性を両立させることができる。
また、離型層２ｂの層厚を３０μｍとすることにより、定着ベルト表面を記録媒体Ｓの微小凹凸に追従させることができ、光沢ムラなどの画質劣化を防止することができる。
また、少なくとも結着樹脂、着色剤、及びワックスを含有したトナーを用いることにより、ワックスを含有したトナーを用いるので、オイルレスの定着工程においてもニップ出口での剥離を容易に行うことができる。

〔実施形態２〕
次に、定着部材として、定着ベルトの変わりに定着ローラを用いた第２の実施形態（以下、実施形態２という）について説明する。図７は実施形態２の定着装置１０９の概略図である。実施形態２では、実施形態１の定着ベルト２の代わりに、定着ローラ１２を用いた点のみで異なるので、他の構成についての説明は省略する。この定着ローラ１２は、離型層１２ａ、弾性層１２ｂ、芯金１２ｃを有し、その内部にはハロゲンヒーター等の熱源１６を有している。
そして、定着ローラ１２の表面が、定着ベルト２の表面と同様の物性値を有し、面圧についても、最大面圧を実施形態１と同様にすることにより、光沢ムラなどの画像劣化を防止しつつ、立ち上がり時間の短縮と、省エネを実現できる。

さらに、ベルト構造をローラ構造にすることにより、ベルト構造において必要だった、より防止の構成を必要としなくなり、部材数を減らすことができる。また、熱源１６の代わりに、電磁誘導加熱方式を用いても良い。
図７に示す実施形態２では、複数の部材でニップ部を構成し、各部材に対応する箇所ごとに、その面圧を異ならしめるような構成を採っていない。定着ローラ１２と加圧ローラ３とによって形成される一般的なニップ部のみである。よって、このような構成での最大面圧は、定着ローラ１２と加圧ローラ３とによって形成されるニップ部の平均面圧とする。

実施形態１に係る複写機の主要部の概略構成図。 実施形態１に係る定着装置の概略構成図。 定着ローラの断面拡大図。 （ａ）トナーを担持した記録媒体の微小領域の拡大断面模式図。（ｂ）及び（ｃ）はトナーを担持した記録媒体とニップ部との微小領域の拡大断面模式図。 ユニバーサル硬さ、ニップ部の最大面圧及び画質の関係を表すグラフ。 変形例に係る定着装置の概略構成図。 実施形態２に係る定着装置の概略構成図。 公知の定着装置の概略構成図。

符号の説明

１ 押圧部材
２ 定着ベルト
２ａ 離型層
２ｂ 弾性層
２ｃ ベルト基材
３ 加圧ローラ
４ 入り口固定パッド
５ 加熱ローラ
６ ヒーター
７ バックアップローラ
８ 摺動部材
１２ 定着ローラ
１２ａ 離型層
１２ｂ 弾性層
１２ｃ 芯金
１６ 熱源
１０１ 画像形成装置本体
１０２ 感光体ユニット
１０４ 感光体
１０７ 両面ユニット
１０９ 定着装置

Claims (11)

1. 無端移動するように構成された２つの無端移動体によりニップ部を形成する定着手段を備え、
   記録材に担持されたトナー像を該定着手段のニップ部で熱及び圧力により記録材に定着させる定着装置において、
   該ニップ部で該記録材上の該トナー像と接触する無端移動体を定着部材とし、
   該トナー像と接触する該定着部材表面の押し込み深さ１０μｍにおけるユニバーサル硬さをＨＵとし、ニップ部における最も面圧が高くなる箇所の面圧をニップ部最大面圧Ｐとすると、
   定着部材の温度が定着時のニップ部の温度である定着設定温度の時、
   ユニバーサル硬さＨＵが、
   ０．５（Ｎ／ｍｍ^２）≦ ＨＵ ≦２．２（Ｎ／ｍｍ^２）
   という関係を満たし、且つ、
   ユニバーサル硬さＨＵとニップ部のニップ部最大面圧Ｐとが、
   ０．０６２・ＨＵ（Ｎ／ｍｍ^２）≦ Ｐ ≦０．１４（Ｎ／ｍｍ²）
   という関係を満たすことを特徴とする定着装置。
2. 請求項１の定着装置において、
   上記定着部材が２つ以上の支持部材に張架され無端移動するベルト構造であることを特徴とする定着装置。
3. 請求項１の定着装置において、
   上記定着部材が回転軸を中心に回転することでその表面を無端移動させるローラ構造であることを特徴とする定着装置。
4. 請求項２の定着装置において、
   上記ニップ部の搬送方向上流側端部をニップ入口部、
   搬送方向下流側端部をニップ出口部とし、
   ニップ入り口部からニップ出口部までのニップ部面圧分布のうち、
   ニップ部中央部よりもニップ出口部側に最大ニップ面圧となる箇所を有することを特徴とする定着装置。
5. 請求項１、２、３または４の定着装置において、
   上記定着部材は上記トナー像と接触する面にトナーに対する剥離性を有する離型層を有し、
   該離型層の内側に弾性材料によって構成される弾性層を有することを特徴とする定着装置。
6. 請求項５の定着装置において、
   上記弾性層が２００℃の熱に絶え得る耐熱性を有する弾性材料によって構成されることを特徴とする定着装置。
7. 請求項５または６の定着装置において、
   上記弾性層の層厚が３００μｍ以下であることを特徴とする定着装置。
8. 請求項５、６または７の定着装置において、
   上記離型層の材料が四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、四フッ化エチレン・パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂（ＰＦＡ）及び四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体樹脂（ＦＥＰ）のうち、少なくとも1つを成分として含んでいることを特徴とする定着装置。
9. 請求項５、６、７または８の定着装置において、
   上記離型層の層厚が３０μｍ以下であることを特徴とする定着装置。
10. 請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９の定着装置において、
    上記トナー像を形成するトナーとして、少なくとも結着樹脂、着色剤、及びワックスを含有したトナーを用いることを特徴とする定着装置。
11. 像担持体と、像担持体上に潜像を形成する潜像形成手段と、該像担持体上の潜像を現像しトナー像を形成する現像手段と、該像担持体上のトナー像を転写材上に転写する転写手段と、該転写手段により転写材に転写されたトナー象を定着する定着手段とを備える画像形成装置において、
    該定着手段として、請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９または１０の定着装置を用いることを特徴とする画像形成装置。

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