JP2006285006A - 定着装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ウォームアップ時間が短く、省エネルギー性に優れるとともに、高画質、耐久性及び熱効率の観点からも良好な定着装置を提供する。
【解決手段】 加熱源により加熱される加熱回転体としての定着ローラ３０と、この定着ローラ３０に当接する加圧回転体としての加圧ローラ３１とでニップ部を構成し、このニップ部で記録媒体と記録材を定着する定着装置において、定着ローラ３０の基材層が１ｍｍ以下の薄肉で、基材層の外側に弾性層と離型層を有し、加圧ローラ３１の基材層の外側にＪＩＳ−Ａ硬度６０度以上、熱伝導率０．１５Ｗ／ｍＫ以下の硬質断熱層を設け、加圧ローラ３１のアスカＣ硬度を８０度以上とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、記録媒体に未定着画像を定着する定着装置およびこの定着装置を有する複写機、プリンタ、ファクシミリ、印刷機等の画像形成装置に関する。

複写機、ファクシミリ、プリンタ、印刷機などの画像形成装置においては、記録用紙などのシート上に転写、担持された未定着画像を加熱、定着させることによって複写物、記録物等が得られる。
画像の定着に際しては、未定着画像が担持されたシートを挟持、搬送しながら加熱することにより前記未定着画像中に含まれる現像剤、特にトナーを溶融、軟化させ及びシートへ浸透させることによって、未定着画像の定着が行われる。定着部材を所定の温度まで加熱する際の所要時間が十分に短ければ、スタンバイ状態における予熱工程を省いてもユーザーの使い勝手に大きく影響せず、大幅な省エネルギーを達成することができる。

このような画像形成装置の定着装置に関する先行技術として、特許文献１には、加圧部材の芯金上に熱伝導率が０．１Ｗ／ｍＫ以下の耐熱弾性層を設け、加圧部材の熱伝導率を小さくして消費電力を低減する技術が開示されている。また、特許文献２には、定着ローラをトナー画像に接する画像接触面の外側から加熱し、定着ローラ側に凸形状のニップ部を形成するために、定着ローラの断熱層をシリコンゴムや発泡シリコンゴムで構成し、昇温時間の短縮と記録シートの剥離性の向上を図ることが開示されている。
更に、特許文献３には、定着ローラに発熱層と、その内側の断熱剛性層を設けることで所定の温度まで短時間で昇温可能とし、これによって加熱効率を高める技術が開示されている。更にまた、特許文献４には、定着ローラの内周面にリブを設けて定着ローラの薄肉化を図り、熱容量を低減して短時間で昇温できるようにすることで、予熱工程を省き、省エネルギーを達成する技術が開示されている。

特開２０００−２２１８２４号公報 特開２０００−２０６８１５号公報 特開２００４−４６０８１号公報 特開２０００−２９３４２号公報

しかしながら、上記特許文献１では、定着部材が弾性層を有しておらず、記録媒体やトナーの凹凸によって微小な光沢ムラが発生するおそれがあり、特にカラー画像の画質が悪くなるという問題点がある。また、特許文献１では、加圧部材として発泡スポンジが用いられているために、ニップ形状が水平または凹状になり、記録媒体の剥離性が悪くなるという問題もある。
同様に特許文献２においても、加熱ローラよりも加圧ローラの硬度が低い構成のため記録媒体の剥離性が悪いという問題がある。また、特許文献２には、記録媒体を強制的に剥離するための分離爪等が設けられているが、剥離性が悪いと分離爪に記録媒体が擦り易くなり、擦り後の画質が劣化するという問題がある。
更に、特許文献３に開示された技術は、ニップ形状が凸状になるため記録媒体の剥離性は高いが、定着ローラ表面側に加熱源があるために、接触部以外から熱が逃げ易く、また、接触熱抵抗によって温度勾配が発生し、接触させる加熱部材を非常に高温にする必要があり、加熱効率が悪いという問題がある。

更に、特許文献３のように、断熱部材として発泡スポンジや発泡シリコンを用いると、停止放置した場合に、加圧力によって発泡層が変形し、変形が復帰するまでに時間がかかるので、その跡に起因して画像の光沢ムラが生じたり、回転時の騒音等の問題を引き起こす可能性がある。
更にまた、特許文献４には、

という問題点がある。
■特許文献４の問題点を加筆下さるようお願い致します。■

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、その課題は、ウォームアップ時間が短く、省エネルギー性に優れるとともに、高画質、耐久性及び熱効率の観点からも良好な定着装置およびこの定着装置を備えた画像形成装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の定着装置は、加熱源により加熱される加熱回転体と、この加熱回転体に当接する加圧回転体とでニップ部を形成し、このニップ部で記録媒体に記録材を定着させる定着装置において、前記加熱回転体の基材層は厚さ１ｍｍ以下の薄肉であり、この基材層の外表面に弾性層および離型層が設けられており、前記加圧回転体の基材層の外表面にＪＩＳ−Ａ硬度６０度以上、熱伝導率０．１５Ｗ／ｍＫ以下の硬質断熱層が設けられており、この加圧回転体のアスカＣ硬度が８０度以上であることを特徴とする。
この場合において、前記加熱回転体の基材層の内面に複数の補強用のリブが設けられていることが好ましい。また、前記加圧回転体の前記硬質断熱層の表面に平滑層が形成されていることが好ましい。更に、前記加圧回転体の最外層を離型層とすることができる。
更にまた、前記ニップ部における前記記録媒体の出口方向は、前記加熱回転体と前記加圧回転体の回転軸を相互に結ぶ直線に直交する接線に対し、前記加圧回転体方向に傾斜しているものとすることができる。

また、この場合において、前記記録材は、少なくとも結着樹脂および離型剤を含有し、重量平均粒径（Ｄ4 ）が２．５〜５．０μｍ、平均円形度が０．９５〜０．９９であるものとすることができる。
前記離型剤は、前記結着樹脂中に島状に分散され、平均分散粒径が０．１〜１．０μｍであるものとすることができる。また、前記離型剤は、酸価５以下の脱遊離脂肪酸型カルナウバワックス、モンタン系エステルワックス、酸価１０〜３０の酸化ライスワックス、合成エステルワックスからなる群より選択された少なくとも１種であることが好ましい。
更に、前記結着樹脂は、高化式フローテスターにおける１／２流出温度が１１０〜１４５℃のポリエステル樹脂を主成分とするものとすることができる。また、前記記録材は、トナーであり、更に、着色剤を含有するものとすることができる。

本発明の画像形成装置は、潜像が担持される像担持体と、該像担持体表面に帯電を施す帯電装置と、帯電した像担持体の表面に、画像データに基づいて露光して潜像を書き込む露光装置と、前記像担持体表面に形成された潜像にトナーを供給して可視像化する現像装置と、像担持体表面の可視像を記録媒体または中間転写体に転写する転写装置と、加熱回転体と加圧回転体とでニップ部を形成し、このニップ部で記録媒体に記録材を定着させる定着装置と、を備えた画像形成装置において、前記定着装置は、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の定着装置であることを特徴とする。
この場合において、前記画像形成装置は、カラー画像形成装置として構成されているものとすることができる。

本発明の定着装置によれば、定着ローラを薄肉で構成して低熱容量化すると共にし、加圧ローラに低熱伝導性の硬質部材を用いたので、昇温時間を短くして熱効率を向上させることができる。また、加圧ローラ側が硬質であるためニップ方向が加圧ローラ側、例えば下向きになるので、用紙の分離性の観点からも有利である。さらには加圧ローラが硬質であり、スポンジ等の柔らかいものでは無いので長時間加圧されながら放置された場合でも加圧ムラによる色ムラや定着ムラが発生することはない。
本発明の画像形成装置によれば、ウォーミングアップ時間が短く、省エネルギー性に優れると共に、耐久性および熱効率の観点からも良好なものとなり、高画質の画像を形成することができる。

以下に、本発明の実施の形態について添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る画像形成装置としてのタンデム型カラー複写機（以下、単に画像形成装置という）の構成を示す概要図である。図１において、この画像形成装置は、装置本体中央部に位置する画像形成部１Ａと、この画像形成部１Ａの下方に位置する給紙部１Ｂと、画像形成部１Ａの上方に位置する図示省略した画像読取部とから主として構成されている。
画像形成部１Ａには、水平方向に延びる転写面を有する中間転写体としての中間転写ベルト２が配置されており、この中間転写ベルト２の上面には、色分解色と補色関係にある色の画像を形成するための構成が設けられている。すなわち、補色関係にある色のトナー（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）による像を担持することができる像担持体としての感光体３Ｙ、３Ｍ、３Ｃおよび３Ｂが中間転写ベルト２の転写面に沿って並置されている。

各感光体３Ｙ、３Ｍ、３Ｃおよび３Ｂは、それぞれ同じ方向（反時計回り方向）に回転するドラムで構成されており、その周りには、それぞれ回転過程において画像形成処理を実行する帯電装置４、光書き込み手段としての書き込み装置５、現像装置６、1次転写装置７及びクリーニング装置８が配置されている。
各符号に付記しているアルファベットは、感光体３と同様、トナーの色別に対応している。各現像装置６には、それぞれのカラートナーが収容されている。中間転写ベルト２は、駆動ローラ９、従動ローラ１０に掛け回されており、感光体３Ｙ、３Ｍ、３Ｃおよび３Ｂとの対峙位置においてそれぞれ同じ方向に移動可能な構成を有している。従動ローラ１０と中間転写ベルト２を挟んで対向する位置には、中間転写ベルト２の表面をクリーニングするクリーニング装置１１が設けられている。
一方、給紙部１Ｂには、記録媒体としての用紙Ｐを積載、収容する給紙トレイ１６と、該給紙トレイ１６内の用紙Ｐを最上のものから順に１枚ずつ分離して給紙する給紙コロ１７と、給紙された用紙Ｐを搬送する搬送ローラ対１８が設けられている。

次に、本実施形態に係る画像形成装置の特徴部分について、図２〜６を参照しつつ説明する。図２は、図１の画像形成装置の定着装置を示す概略構成図である。図２において、この定着装置は、加熱回転体としての定着ローラ３０と、加圧回転体としての加圧ローラ３１で主として構成される。加圧ローラ３１は加圧バネ４４によって定着ローラ３０に押圧され、ニップを形成する。

図３は、図２の定着ローラ３０のＡ−Ａ線矢視方向断面図である。図３において、芯金３７は０．３〜０．８ｍｍの薄肉のアルミニウム（Ａｌ）材で構成され、内部に補強のためのリブ３６が複数設けられている。リブ３６を設けることで荷重に対する変形を抑えることができ、リブが無い場合よりも加圧バネ４４の荷重を増やして、ニップ幅の拡大や面圧を向上して定着効率を上げることができる。

加圧バネ４４の総荷重はローラ径がφ４０、幅が３５ｃｍの場合で１９６Ｎ〜２９４Ｎの荷重をかけることができ、ニップ部の面圧は１３〜２０Ｎ／ｃｍ^２程度になる。定着ローラ３０の芯金３７の内部には、加熱のためのハロゲンヒータ３９が設けられ、定着ローラ３０の表面温度を測定する図示省略したセンサとコントローラによって所定の温度まで昇温し、一定温度に保つように制御される。
図４は、図２の定着ローラ３０の層構成を示す概略図である。図４において、定着ローラ３０の芯金３７の外表面（図中上側）には、０．２〜１ｍｍのシリコンゴム製の弾性層３２が設けられており、さらにその上の最外層にはトナーとの離型性を向上させるために１０〜３０μｍの厚みのＰＦＡまたはＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂をコーティングするか、またはチューブ状にしたものをプライマで接着した離型層３３が形成されている。

一方、図５は、加圧ローラ３１の層構成を示す概略図である。図５において、芯金５１としては鉄（Ｆｅ）材、ステンレス（ＳＵＳ）材等が用いられ、その外表面（図中上側）に中空ガラスビーズを樹脂またはシリコン系接着材でバインドした硬質断熱層３４が設けられている。なお、別の構成として細孔状のセラミックである中空セラミックも同様に硬質断熱層３４として使用できる。硬質断熱層３４は弾性体をほとんど含ませず、ＪＩＳ−Ａ硬度が６０度以上の硬質である。さらに、中空ガラスビーズや気泡によって空気の含有率が高く熱伝導率を０．２Ｗ／ｍＫ以下として断熱性が高くなっている。最外層にはトナーとの離型性を向上させるために、ＰＦＡまたはＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂をコーティングするか、またはチューブ状にしたものを被せてプライマで接着した離型層３３が形成されている。硬質断熱層３４の厚みは１mm〜５ｍｍで、弾性体を含まないので、加圧ローラ３１のアスカC硬度は８０度以上になる。

図６は、定着ローラ３０と加圧ローラ３１とのニップ部を示す拡大図である。加圧ローラ３１は硬質であるので、その表面はほとんど変形せず、定着ローラ３０表面のシリコンゴム製の弾性層３２が押圧力によって変形する。従って、用紙Pがニップ部を通過する際には、図６中、矢印Ｂで示すように、加圧ローラ３１側に排紙される。従って、用紙の剥離性が高く、巻き付きを防止できる。加圧ローラ３１表面の熱伝導率が非常に低く、また、定着ローラ３０を薄肉で構成することによって、熱容量が小さくなり、昇温時間を短くすることができる。さらに、定着ローラ３０には弾性層３２があるため、トナーや用紙の凹凸に対して表面が追従することができるので、微小な光沢ムラを防止することができる。

以下、このような構成の画像形成装置の動作について説明する。感光体３Ｙの表面が帯電装置４Ｙにより一様に帯電され、画像読取部からの画像情報に基づいて書き込み装置５Ｙによって感光体３Ｙ上に静電潜像が形成される。この静電潜像はイエローのトナーを収容した現像装置６Ｙによりトナー像として可視像化される。可視化されたトナー像は所定のバイアスが印加される１次転写装置７Ｙにより中間転写ベルト２上に1次転写される。

他の感光体３Ｍ、３Ｃ、３Ｂにおいてもトナーの色が異なるだけで同様の画像形成が行われ、それぞれの色のトナー像が中間転写ベルト２上に順に転写され、重ね合わせられる。転写後の感光体３上に残留するトナーはクリーニング装置８により除去される。また、図示省略した除電ランプにより感光体３の電位が初期化され、次の作像工程に備えられる。
一方、給紙部１Ｂの給紙トレイ１６に積載、収容された用紙Ｐは、給紙コロ１７によって最上のものから順に１枚ずつ分離して給紙され、搬送ローラ対１８によって駆動ローラ９と転写ローラ１３との間に搬送される。

感光体３Ｙ、３Ｍ、３Ｃおよび３Ｂから中間転写ベルト２上に１次転写されたトナー像Ｔ（以下、単にトナーともいう）は、図示省略した２次バイアス印加手段により駆動ローラ９に印加されるバイアス（ＡＣ、パルスなどの重畳を含む）により駆動ローラ９と転写ローラ１３との間に搬送される用紙Ｐに静電気力で２次的に転写される。画像が転写された用紙Ｐはベルト搬送手段によって定着装置１２に搬送され、定着ローラ３０と加圧ローラ３１との当接部であるニップ部で加圧、加熱されて画像が用紙Ｐに定着される。

本実施形態においては、使用するトナーＴ（図１参照）の円形度を０．９５〜０．９９にする。これによって、トナーの帯電のバラツキを小さくでき、転写率を高くできる。また、重量平均粒径が２．５〜５μｍの小粒径トナーを使用するので、加熱時におけるトナー層内の温度勾配が小さくなり、ホットオフセットを防止できるだけでなく、定着時のドットゲインが小さくなり、潜像に忠実な画像が得られ、高画質化を図ることができる。また、用紙の巻きつきを防止できるとともに、球形のため帯電の安定性が高く、転写チリ等の画質劣化を防止することができる。
トナーに含まれる結着樹脂は、高化式フローテスターにおける１／２流出温度が１１０〜１４５℃のポリエステル樹脂を主成分とする。また離型剤として酸価５以下の脱遊離脂肪酸型カルナウバワックス、モンタン系エステルワックス、酸価１０〜３０の酸化ライスワックス、合成エステルワックスからなる群より少なくとも１種を含有するものを使用する。離型剤成分は樹脂中に島状に分散され、離型剤の平均分散粒径は例えば０．１〜１．０μｍである。これによって、効率的にワックス成分がトナー表面に露出し、離型性が向上して用紙の巻き付きがなくなり、定着部材からのトナーを離型するためのシリコンオイル等の離型剤やオイル塗布手段等をなくすことができ、装置の小型化やコストダウンが可能になる。

本実施形態によれば、加熱回転体としての定着ローラ３０の内面にリブを設けたことにより、定着ローラ３０のたわみやつぶれに対する強度が向上し、適切な圧力で均一なニップ状態をつくることができる。また、加圧回転体としての加圧ローラ３１の最外層に離型層３３を設けたことにより、両面印刷を行う際に裏面に画像がある場合でも用紙の巻きつきを防止することができる。更に、用紙Ｐが例えば水平に対して加圧ローラ３１方向に排紙されるので、用紙のローラに対する巻きつきを防止することができる。
本実施形態によれば、ウォームアップ時間が短く、省エネルギー性に優れるとともに、耐久性及び熱効率の観点からも良好なカラー画像形成装置となり、高画質の複写物、印刷物を得ることができる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図７は、本発明の他の実施形態における加圧ローラの層構成を示す概略図である。図７において、この加圧ローラ３１は、硬質断熱層３４の表面に、２０〜１００μｍのポリイミド樹脂またはニッケル製のベルトを接着して平滑層４０を設け、この平滑層４０上に、最外層として、トナーとの離型性を向上させるためのＰＦＡまたはＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂をコーティングするかまたはチューブ状にしたものを被せてプライマで接着した離型層３３が形成されている。
硬質断熱層３４を形成するガラスビーズや中空のセラミックは表面を平滑に研磨加工する際に多孔質であるため、どうしても表面が粗くなってしまう。表面が粗い状態で加圧することで、ニップ部で加圧ムラが生じ、画像の光沢ムラや定着ムラを引き起こす場合があるが、本実施形態のように、硬質断熱層３４の外表面に表面性の良い平滑層４０を設けることで圧力ムラを緩和し、画像の光沢ムラや定着ムラを防止することができる。

図８は、本発明の別の実施形態に係る定着装置の概略構成を示す図である。図８において、加圧ローラ３１とテンションローラ４５に、平滑層４０としてのベルト状の離型層３３が懸架されており、テンションローラ４５を回転させることによって加圧ローラ３１が回転するように構成されている。
本実施形態においても、上記実施形態と同様、圧力ムラを緩和し、画像の光沢ムラや定着ムラを防止することができる。

本発明の第1実施形態に係る画像形成装置の概略構成図である。 図１の定着装置の構成を示す図である。 図２の定着ローラのＡ−Ａ線矢視方向断面図である。 図２の定着ローラの層構成を示す断面図である。 図２の加圧ローラの層構成を示す断面図である。 図２の定着装置のニップ部分を示す拡大図である。 本発明の他の実施形態における加圧ローラの層構成を示す断面図である。 本発明の別の実施形態における定着装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１Ａ：画像形成部
１Ｂ：給紙部
２：中間転写ベルト
３：感光体
４：帯電装置
５：書きこみ装置
６：現像装置
７：1次転写装置
８：クリーニング装置
９：駆動ローラ
１０：従動ローラ
１１：クリーニング装置
１２：定着装置
１３：転写ローラ
１６：給紙トレイ
１７：給紙コロ
１８：搬送ローラ対
３０：定着ローラ
３１：加圧ローラ
３２：弾性層
３３：離型層
３４：硬質断熱層
３６：リブ
３７、５１：芯金
３９：ハロゲンヒータ
４０：平滑層
４４：加圧バネ
４５：テンションローラ
Ｔ：トナー像
Ｐ：用紙

Claims (12)

1. 加熱源により加熱される加熱回転体と、この加熱回転体に当接する加圧回転体とでニップ部を形成し、このニップ部で記録媒体に記録材を定着させる定着装置において、前記加熱回転体の基材層は厚さ１ｍｍ以下の薄肉であり、この基材層の外表面に弾性層および離型層が設けられており、前記加圧回転体の基材層の外表面にＪＩＳ−Ａ硬度６０度以上、熱伝導率０．１５Ｗ／ｍＫ以下の硬質断熱層が設けられており、この加圧回転体のアスカＣ硬度が８０度以上であることを特徴とする定着装置。
2. 前記加熱回転体の基材層の内面に複数の補強用のリブが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記加圧回転体の前記硬質断熱層の表面に平滑層が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の定着装置。
4. 前記加圧回転体の最外層は離型層であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の定着装置。
5. 前記ニップ部における前記記録媒体の出口方向は、前記加熱回転体と前記加圧回転体の回転軸を相互に結ぶ直線に直交する接線に対し、前記加圧回転体方向に傾斜していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の定着装置。
6. 前記記録材は、少なくとも結着樹脂および離型剤を含有し、重量平均粒径（Ｄ4 ）が２．５〜５．０μｍ、平均円形度が０．９５〜０．９９であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の定着装置。
7. 前記離型剤は、前記結着樹脂中に島状に分散され、平均分散粒径が０．１〜１．０μｍであることを特徴とする請求項６に記載の定着装置。
8. 前記離型剤は、酸価５以下の脱遊離脂肪酸型カルナウバワックス、モンタン系エステルワックス、酸価１０〜３０の酸化ライスワックス、合成エステルワックスからなる群より選択された少なくとも１種であることを特徴とする請求項６または７に記載の定着装置。
9. 前記結着樹脂は、高化式フローテスターにおける１／２流出温度が１１０〜１４５℃のポリエステル樹脂を主成分とするものであることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の定着装置。
10. 前記記録材は、トナーであり、更に、着色剤を含有するものであることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の定着装置。
11. 潜像が担持される像担持体と、
    該像担持体表面に帯電を施す帯電装置と、
    帯電した像担持体の表面に、画像データに基づいて露光して潜像を書き込む露光装置と、
    前記像担持体表面に形成された潜像にトナーを供給して可視像化する現像装置と、
    像担持体表面の可視像を記録媒体または中間転写体に転写する転写装置と、
    加熱回転体と加圧回転体とでニップ部を形成し、このニップ部で記録媒体に記録材を定着させる定着装置と、を備えた画像形成装置において、
    前記定着装置は、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の定着装置であることを特徴とする画像形成装置。
12. 前記画像形成装置は、カラー画像形成装置として構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の画像形成装置。

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