JP2006258871A - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 加熱手段と、加圧部材と、無端状部材を少なくとも備えた定着装置であって、装置の構成を簡単化し、加熱手段からの記録媒体の剥離性を向上させ、かつ記録媒体上に形成される画質も向上させる定着装置又は画像形成装置を提供する。
【解決手段】 弾性層と熱源を有する加熱手段と、無端状部材と加圧部材を有する加圧手段を備え、未定着のトナー像を付着したまま記録媒体を搬送して無端状部材と加熱手段で形成されるニップ部を通過させ、記録媒体上の未定着トナー像を定着する定着装置において、加圧部材を加熱手段に圧接した時に形成されるニップ部で前記記録媒体の表面と加熱手段の表面が離れる点から記録媒体表面に沿って３．５ｍｍ離れた点での剥離力を０．０４ｋｇｆ／ｍｍ以上に設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、定着装置及びそれを用いた画像形成装置に関するものである。

従来、記録媒体上のトナー像を定着する装置として加熱ローラをローラ内部に配置されたハロゲンヒーターにて加熱し、その加熱ローラに圧力ローラをコイルスプリングなどで押圧し、ローラ間にニップ部を形成し、ニップ部にトナーが付着している記録媒体を通過させ、加圧及び加熱し定着する方式がある。しかしながら前記ローラ同士を圧接する方式で高速化、小型化、高信頼性、省エネ化、低コスト化を図るには、以下のような課題があった。

まず、高速化に伴い、記録媒体上のトナーを加熱する距離を長くする必要がある。即ち、速度を上げる以前と同じ加熱時間を確保する。ニップ部の長さを長くするには、ローラ表面を弾性変形可能にし荷重値を上げるか、もしくはローラ径を大きくする必要がある。しかしながら、ローラ径を大きくすると小型化と相反する。次にローラ表面弾性係数を低くし、荷重値を上げる方法が考えられる。ローラ表面の弾性係数を低くするにはローラ表面層の厚さを大きくするか、部材のヤング率を下げる必要がある。しかしローラ表面層の厚さを大きくすると加熱ローラ全体の熱容量が上がり、加熱ローラの表面温度をある一定の温度まで昇温するのに有する加熱時間が長くなり、結果的に印刷時間が長くなる。印刷待機時に熱を随時供給し、加熱ローラの温度を保つ方法はあるが、省エネ化に相反する。一方、ローラ同士を圧接する荷重値を上げると、ローラの撓み量が上がってしまい、ローラ軸方向の中央部と端部でニップ部の圧力差が生じ、トナーの定着特性が不均一になることが考えられる。更には圧力分布の不均一が紙しわを生じさせる恐れがあり、結果的に装置の信頼性を下げることになる。この場合、撓み量を低減させる手段として、ローラの剛性を上げるか、ローラをクラウン形状にする方法がある。しかしながら、ローラの剛性を上げるとローラの熱容量があがり、加熱時間が長くなり、省エネ化と相反する。クラウン形状のローラはローラ作成工程が多くなり、低コスト化が難しい。更に軸方向の圧力分布がローラの加工精度に頼ってしまい、結果的に信頼性を下げる可能性がある。

これらの課題を解決するため、種々の提案がされている（例えば特許文献１）。従来技術は、定着装置として表面が弾性変形する回転可能な加熱ローラに出口部を局所的に弾性変形させる加圧部材を圧接し、ニップ部を形成し、その間に送り込まれる記録媒体上のトナー像を加圧及び加熱し定着するベルトニップ方式である。この方式は、エンドレスベルトを内側から接触面が形成されるように加圧部材を設けることでニップ幅を長く形成することができ、トナーに十分な熱を与えることが可能であり、印刷速度の高速化に容易に対応できる。また、装置全体を大きくすることなくニップ幅を長く形成することができ、装置全体の小型化に対応できる。更に、低圧力で長いニップ幅を形成することができ、加熱ローラの薄肉化が容易であり、定着適正温度までの加熱時間を短縮することができ、すばやい印刷開始が可能となるので、省エネ効果を上げることができる。更に、加熱ローラの弾性層を硬質部材で押圧することでニップ出口部に局所的に弾性層に歪みを設け、セルフストリッピング（自己剥離）性能を高め、信頼性が高い。

しかしながら、ベルトニップ方式の定着装置では、出口部の局部的な変形による速度差から画像ずれが生じやすい、という課題がある。更に、加熱ローラの弾性層を硬質部材で押圧することで局所的に弾性層に歪みを設け、曲率の小さいニップ形状を作ることから、用紙に与える負荷（カール量）が大きくなる。

特許第３２９８３５４号

本発明は、加熱手段と、加圧部材と、無端状部材を少なくとも備えた定着装置であって、装置の構成を簡単化し、加熱手段からの記録媒体の剥離性を向上させ、記録媒体に与える負荷を低減し、かつ記録媒体上に形成される画質も向上させる定着装置又は画像形成装置を提供する。

前記課題を解決するために、弾性層と熱源を有する加熱手段と、無端状部材と加圧部材を有する加圧手段を備え、未定着のトナー像を付着したまま記録媒体を搬送して無端状部材と加熱手段で形成されるニップ部を通過させ、記録媒体上の未定着トナー像を定着する定着装置において、ニップ部で前記記録媒体の表面と加熱手段の表面が離れる点から記録媒体表面に沿って３．５ｍｍ離れた点での剥離力を０．０４ｋｇｆ／ｍｍ以上に設定することで達成される。

本発明によれば、平板加圧部材を用いて剥離力０．０４ｋｇｆ／ｍｍ以上に設定することにより、高速化、小型化、高信頼性、省エネ化、低コスト化を実現しながら、セルフストリップ性能を保ち、画質向上、用紙に与える負荷（カール量）低減に適した画像形成装置を提供できる。

以下、本発明の実施例について図を用いて説明するが、本発明がこれらの具体的構成に限定されるものでないことは、言うまでもない。

本発明の一実施例を図１〜５を用いて説明する。

図１は、本実施例の定着装置の模式図である。図１において、１は加熱ローラであり、加熱ローラ１は、表面被覆層２と、弾性層３と、芯金４と、熱源６を有している。３２は記録媒体であり、３１は記録媒体３２の表面に付着した未定着トナーである。記録媒体３２は、図１の矢印方向に搬送される。記録媒体３２を挟んで、加圧手段が設けられている。加圧手段は、加圧部材２１と、加圧部材２１を支持する支持部材２２と、加圧部材２１と支持部材２２を記録媒体３２側に加圧する加圧スプリング１１と、従動する無端状部材２３と、無端状部材２３と加圧部材２１の間の摩擦を低減するための低摩擦部材２５と、無端状部材２３の搬送経路を規定するガイド２４を備えている。２７は、無端状部材２３と加圧部材２１の間の摩擦を更に低減するための潤滑油を供給する潤滑油供給部材である。一般的に潤滑油にはシリコンオイルもしくはフッ素オイルなどが含まれているものを使用する。３３は、加熱ローラ１と無端状部材２３とのニップ部を通過した後の記録媒体３２上の定着画像である。加熱ローラ１の表面被覆層２は、未定着トナー３１が付着しにくいようにPFA層などが用いられる。また、弾性層３としては、シリコンゴムが用いられている。無端状部材２３は、PFAとポリイミドで形成されている。加圧部材２１は、加圧方向の面がフラットな加圧パッドが用いられており、シリコン又はフッ素ゴムのゴム層を有している。ここで記録媒体３２としては、カット紙などの用紙があげられる。

図２を用いて剥離力測定方法について説明する。４１は、レーザー深度計である。４２は、レーザー深度計４１が深度を測定するレーザー深度測定線である。４３は、レーザー深度測定線４２と交差する点である。記録媒体３２のニップ部通過前は、加熱ローラ１の表面上に交点４３ｂがあり、交点４３ｂまでの深度を測定する。記録媒体３２のニップ部通過後は、記録媒体３２の裏面上に交点４３ａがあり、交点４３ａまでの深度を測定する。４４はニップ領域であり、４５はニップ開始点、４６はニップ出口点である。４７は、記録媒体上非画像領域である。４８は、記録媒体３２上の画像領域開始点である。４９は、記録媒体先端点である。一般的に剥離性能は、記録媒体である用紙をニップ部に通し、ニップ出口部での用紙と加熱ローラ１表面との相対的な距離を測定することで確認することができる。もしくは未定着トナー画像を定着し、巻きつくかどうかを評価するといった手法もある。上記手法で剥離特性を評価し、セルフストリップ可能な剥離性能を得るまで加熱手段、加熱手段の弾性層厚さ、加熱手段の弾性層弾性係数、エンドレスベルト材質、エンドレスベルト厚さ、摺動部材弾性係数、摺動部材厚さ、摺動部材材質、パッド幅、パッド厚さ、パッド弾性係数、パッドホルダ形状等を調整する。この時注意しなければいないのは、用紙やトナーから空気や水蒸気が膨張し、蒸発してくる気泡によって未定着トナーが攪乱されないように十分平均圧力（０．０１０ｋｇｆ／ｍｍ＾２以上）を上げる必要がある。更に、定着不具合を招きかねない不連続な圧力分布、または圧力の局所的な谷間が生じないような構成にし、なるべく滑らかな圧力分布を設定する必要がある。

図３に図２で示した剥離測定方式による測定結果の一例を示す。□印は、記録媒体３２が加熱ローラ１に巻き付いて搬送されたときの測定結果を示す。加熱ローラ１の表面を深度０ｍｍとし、記録媒体先端点４９が深度測定線を交差した瞬間に深度（クリアランス）が０．４ｍｍ空くのが分かる。これは記録媒体３２の裏面を測定しているので、実際のクリアランスは測定された数値から記録媒体３２の厚さ（０．１ｍｍ）を差し引いたものとなる。記録媒体非画像領域４７の間は、記録媒体３２が加熱ローラ１に接着しないので、初期のクリアランスを保ちながら搬送される。しかし、画像領域開始点４８以降は溶解されたトナーによる接着力にて記録媒体３２が加熱ローラ１に巻き付きながら搬送され、クリアランスが徐々に小さくなる。この時測定された曲線は加熱ローラ外径に記録媒体厚さを足した数値と一致することを確認した。記録媒体非画像領域４７が完全に通過しきると、記録媒体３２の厚さ分のクリアランスが測定される。記録媒体３２がセルフストリップしながら搬送されたときの測定結果を△印で示す。セルフストリップ可能な設定にすることで、画像領域開始点４８以降でもクリアランスが初期値を保ちながら搬送されるのが確認できる。平板状の加圧部材２１を用いた場合、例えば加圧部材２１の記録媒体搬送方向の幅を調整し、加熱ローラ１の弾性層のニップ出口部変形量を大きくし、記録媒体の突出角度を加熱ローラ１の表面から離れる方向で大きくするといった方法がある。もしくは加熱ローラ１の弾性層の弾性係数を低くし、ニップ出口部の変形量を増やす方法もある。これらはすべて、記録媒体である用紙表面に付着しているトナーと加熱ローラ表面との空間が、用紙の先端が出口部を突出した直後に大きくなることで剥離特性を高める効果があると考える。つまりは用紙の剛性を利用した曲率剥離作用である。

図４は剥離力を算出する二次元片持ち張計算モデルを示す。３２は、記録媒体である。４６は、ニップ出口点である。４９ａ，４９ｂは、記録媒体先端点である。３２ａは加熱ローラ１の表面に接触していない状態の用紙、３２ｂは加熱ローラ１に接触した状態の用紙である。まず、用紙の厚さ、幅、を測定し、断面二次モーメントを算出。用紙の面積あたりの質量（等分布荷重）、片持ち時の用紙突出長さとその時の用紙先端重力方向変位量を測定し、用紙ヤング率を算出する。次にこれら用紙物性値と測定されたクリアランス値を用いて、用紙突出量を３．５ｍｍに設定し、用紙先端が加熱ローラ１の表面に接触するのに必要な等分布荷重を算出し、これを剥離力とする。

図５に前記効果の一例を示す。組み合わせＡ〜Ｅは加熱ローラ弾性層厚さ、加熱ローラ弾性層硬度、加熱ローラ外径、エンドレスベルト材質、エンドレスベルト厚さ、摺動部材弾性係数、摺動部材厚さ、摺動部材材質、パッド幅、パッド厚さ、パッド弾性係数、パッドホルダ形状等を可変した設定である。上記組み合わせ条件にて１７０℃に加熱したニップ部に白紙用紙を通過させ、剥離力を算出した。剥離特性評価は、１７０℃に加熱したニップ部に平方センチメートルあたり１．６ｍｇのトナーを付着させた用紙を通過させ、用紙が巻き付くかどうか確認した。その結果、剥離力０．０４ｋｇｆ／ｍｍ以上でセルフストリップが確認でき、さらに用紙へのダメージ（カール問題、紙しわ問題）も最小限に抑えられることを確認した。

ニップ部の出口付近に硬質部材を用いた場合、剥離性能は容易に得ることができる。しかしながら、小曲率硬質部材を用いて局所的に出口部を弾性変形させることにより、ニップ部内で速度差が生じ、結果的には画像ずれが起こることになる。この課題を出口部の荷重設定にて解決しているが、局所的な変形による用紙に与える負荷（パーパーダメージ）は低減することは困難である。それは硬質部材を用いることでニップ形状の曲率が下がり、小曲率によって用紙負荷が上昇する。一方、本実施例はこのような小曲率ニップ変形部分を作ることなく剥離性能を向上することができるので、用紙へのダメージが小さく抑えることができる。更に重要な点として、本実施例は、図１に示すような単純な構成の平板加圧部材で構成できる。これは結果的に加圧部材の部品作成工数が減り、コストが低減できる。このような単純な構成の平板加圧部材を用いることで、圧力が局所的に低すぎる、もしくは不連続な圧力分布、もしくは圧力の谷間ができるような構成にて起きる特有の課題（用紙やトナーから空気や水蒸気が膨張し、蒸発してくる気泡によって未定着トナーが攪乱される）を回避することができる。単純な平板加圧部材を用いることで圧力分布に不連続性や局所的に低い部分や谷間ができるといった課題が起こりにくいからである。

図６に本発明の他の実施例を示す。図１と同じ部位は、同じ番号で説明する。記録媒体３２の未定着トナー３１の付着した画像面側に設けられた５は、無端状加熱部材である。８は、弾性層を有した加圧部材である。９は、加圧部材８を支持する加圧支持部材である。７は、無端状加熱部材５を張架し、もしくは同時に加熱する加熱ローラである。熱量が足りない場合は無端状加熱部材5を外側から、加熱ローラ７１又は７３を接触させて、加熱する方法もある。７２は、内部に熱源を持たずに回転する従動ローラである。無端状加熱部材５を駆動する駆動源は加熱ローラ７にあるが、従動ローラ７２に設けても良い。図１のような加熱ローラ１を用いる構成よりも、この構成は無端状加熱部材を用いるので、装置全体の大きさに、さほど影響なく、ニップ幅やニップ出口部の変形形状を調整することができるという特性を持っている。この構成の場合、加圧部材２１の幅を加圧部材８の幅に比べて同等、もしくは小さく設定する。

次に、これまで説明した定着装置が搭載される画像形成装置の一例を図７に示す。図７において、１０１は感光体ベルトであり、矢印ｄ方向へ無端移動可能に支持されている。１０２は帯電ブラシ、１０３は帯電ローラであり、帯電ブラシ１０２および帯電ローラ１０３は感光体ベルト１０１の表面に接触させて設けられ、感光体ベルト１０１の表面を均一に帯電させる。均一に帯電された感光体ベルト１０１の表面に光を照射する露光装置１０４は、パソコン、イメージスキャナ等による画像、文字の情報にしたがいドット単位で感光体ベルト１０１を露光し、感光体ベルト１０１の表面に静電潜像を形成する。

感光体ベルト１０１上に形成された静電潜像には、黒トナーの現像機１０５Ｋ、イエロートナーの現像機１０５Ｙ、マゼンタトナーの現像機１０５Ｍ、シアントナーの現像機１０５Ｃのいずれかによりトナーが供給されトナー像として顕像化され、第１転写位置Ｔ１へ搬送される。第１転写位置Ｔ１では、感光体ベルト１０１と中間転写体１０６との電位差により、感光体ベルト１０１上のトナー像が中間転写体１０６の表面へ転写される。

第１転写位置Ｔ１を通過した感光体ベルト１０１の表面は、残像除去器１０７からの光照射により電位が一定以下に落とされて静電潜像が消去され、続いて清掃装置１０８により第１転写位置Ｔ１で転写されずに感光体ベルト１０１上に残留したトナーが除去され、次の画像形成が可能な状態となる。

上記の工程を各現像機１０５Ｋ、１０５Ｙ、１０５Ｍ、１０５Ｃにより必要数繰り返すことにより、中間転写体１０６の表面には、画像、文字の情報に見合うトナー像が形成される。

その後、中間転写体１０６上に転写されたトナー像は第２転写位置Ｔ２で転写器１０９によって、記録媒体供給装置１１０によりカセット１１１から供給された記録媒体３２に転写される。トナー像が転写された記録媒体３２は、中間転写体１０６から剥離され、定着装置１１２に送り込まれ、トナー像を記録媒体３２に定着し、記録媒体排出装置１１３によって排出される。なお、１１４は中間転写体１０６の表面を清掃する清掃装置である。

このような画像形成装置に、本発明の定着装置を適用した場合には、定着装置の剥離性能が向上するので高信頼性を得ることができる。また定着装置が小型化、低コスト化、省エネ化が図れるので画像形成装置の小型化、低コスト化、省エネ化を図ることができる。更に、剥離性能が向上したことで、画像形成装置の高速化も図ることができ、用紙に大きな負荷を与えることがないので、定着時の画像の乱れが少なくなり高画質化につながる。

本発明の一実施例である定着装置の模式図である。 剥離力測定方法を示す模式図である。 剥離実験結果である。 剥離力算出用計算モデルである。 図１の定着装置で行った剥離実験結果である。 本発明の他の実施例である定着装置の模式図である。 画像形成装置の全体を示す模式図である。

符号の説明

１…加熱ローラ、２…表面被覆層、３…弾性層、４…芯金、６…熱源、１１…加圧スプリング、２１…加圧部材、２２…支持部材、２３…無端状部材、２４…ガイド、２５…低摩擦部材、２７…潤滑油供給部材、３１…トナー、３２…記録媒体。

Claims (4)

1. 弾性層と熱源を有する加熱手段と、無端状部材と加圧部材を有する加圧手段を備え、未定着のトナー像を付着したまま記録媒体を搬送して前記無端状部材と前記加熱手段で形成されるニップ部を通過させ、前記記録媒体上の未定着トナー像を定着する定着装置において、
   前記ニップ部で前記記録媒体の表面と前記加熱手段の表面が離れる点から記録媒体表面に沿って３．５ｍｍ離れた点での剥離力を０．０４ｋｇｆ／ｍｍ以上に設定したことを特徴とする定着装置。
2. 前記加熱手段が、前記弾性層と前記熱源を内部に有する回転可能な加熱ローラであることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
3. 前記加熱手段が、前記弾性層と前記熱源と無端状加熱部材と前記無端状加熱部材を張架する複数の回転可能なローラとを有していることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
4. 請求項１記載の定着装置を用いて、記録媒体上の定着を行うことを特徴とする画像形成装置。
   
   

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