JP2006301333A - 定着ローラ及び定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成及び簡易な製造方法において、立ち上がり時間が短く、表面温度分布が均一な定着ローラ及びこれを組み込む定着装置を提供する。
【解決手段】 用紙に転写された未定着トナーを定着させる定着装置に備えられ、金属製芯金上に離型層を有している定着ローラ１において、前記離型層を有する胴部２と、胴部２の両端に設けられている軸頸部３とを異なる材質により構成し、且つ、軸頸部３を形成する材質の熱伝導率が胴部２を形成する材質の熱伝導率よりも小さくした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子写真方式の複写機、ファクシミリ、レーザビームプリンタ等を含む画像形成装置の定着装置に用いる定着ローラ及びこれを備えた定着装置に関するものである。

従来から、複写機、レーザビームプリンタ、ファクシミリ等を含む画像形成装置には未定着トナーをコピー用紙に定着させるための定着装置が設けられている。この定着装置内には定着ローラを始め、用紙を定着ローラに押し付けるための加圧ローラ等が組み込まれていることは良く知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。
定着装置の構成として、定着ローラは前述したように鉄系材料やアルミニウム等金属製の芯金が多く用いられている。かかる定着ローラの両端部分はジャーナル部（軸頸部）と呼ばれ、ボールベアリングで受けるように構成されている。これに対して、加圧ローラは、定着ローラと平行に一定のニップ幅を有して配設されている。
定着ローラは、通常アルミもしくは鉄系の金属製芯金の表面に、ＰＦＡやＰＴＦＥ等のフッ素樹脂を、あるいはプライマ層を下地としてその上にフッ素樹脂を離型層として形成している場合が多い。
近年では、省エネルギの観点から定着装置の立ち上がり時間短縮が要求されており、金属製芯金を用いた定着ローラも、例えば１０秒、２０秒以下といった仕様のものが増えている。これに対応するためには、基体である金属製芯金の熱容量を小さくすることが最重要であり、最も適しているアルミニウム製芯金を薄肉化するなどの工夫がなされている。
一般的にモノクロ機向けの定着ローラは、通常芯金上にプライマを塗布した後、その上にＰＦＡやＰＴＦＥといったフッ素樹脂からなる離型層を設けた構成となっており、加圧ローラを対向して配設している。
定着ローラは胴部外径とジャーナル外径が同一であるストレートタイプと、それらが異なるジャーナルタイプの２種類に大別できる。
図５はジャーナルタイプの定着ローラの概略図、図６はジャーナル部分の構造を拡大して示した拡大図である。この図５及び６に示すように、従来の定着ローラ１は離型層が設けられた金属製芯金２の両端をウェージング加工やスピニング加工等で絞ることによりジャーナル部３を形成するようにしている。このため、図６に示すように金属製芯金２とジャーナル部３の断面形状は或る程度の曲率を有している。
一方、定着装置は定着ローラ１と対向して配設される加圧ローラ（図示せず）を備えている。この加圧ローラも構成としては金属製のシャフトにシリコンゴムやスポンジを注型等の工法で形成している。定着装置はこれら２つのローラをボールベアリング（図示せず）によって支持し、対向圧着した状態で組み付けている。
通常、定着装置では定着ローラ１の内側にハロゲンヒータ（図示せず）を配置し、立ち上げ時などはこのハロゲンヒータのフルパワーでの熱エネルギを供給する。定着装置に求められる特性として、画像の定着性にムラがないことが上げられる。しかしながら、立ち上げ時には与えた熱が定着ローラ１のジャーナル部３からベアリングを介して構成部材側に逃げていくため、定着ローラ１の表面温度は中央部よりも両ジャーナル部３側が低くなってしまう。
その結果、画像の中央付近と両端部分で定着性のバラツキが発生して、ムラのある画像になってしまう。それを防止するために両ジャーナル部３側の温度が中央部と略同一になるまで、ハロゲンヒータは熱をフルパワーで供給し続けると、立ち上がり時間が長くなり、またさらに電力を余計に消費するために省エネルギの観点からも不具合が多い。
特開平０５−０８８５７８号公報 特開平１１−１４３２７５号公報

上記のように金属性芯金の定着ローラを単純にベアリングで受けている定着装置では、その熱伝導率の良さが逆に欠点ともなり、上述したように、ハロゲンヒータより供給される熱がベアリングを介して定着装置の構造体の方向へ逃げていく。
そうなるとハロゲンヒータが熱エネルギを最大限供給しているにも拘わらず、定着ローラ表面が所定の温度まで達する時間が長くなり、結局、立ち上がり時間を短くできないという不具合が起こる。
また供給された熱は定着ローラ全体で見た場合、中央部分から放熱する量よりも、他の部品と接触している両端ジャーナル部分から伝導していく量の方がはるかに多い。かかる理由から、ローラ胴部は中央と両端とで温度分布が不均一になる。
未定着トナーが熱を受けて用紙に定着する際、その定着する度合い、即ち定着性は或る所定の温度が必要であり、前記のように両端部分で定着ローラの表面温度が低い場合、それに相対する用紙の両端部分で定着性が落ちる箇所が生ずる。
実際の製品上では、定着性が落ちている悪い画質を許容することはできないため、ジャーナル部から逃げた熱で定着装置の他部品がある程度温まる。したがって、定着ローラの表面温度分布が略均一になるまでの加熱時間を設けることになり、結果として立ち上がり時間を短縮することは困難となる。
そこで、本発明の目的は、上述した実情を考慮して簡易な構成及び製造方法において、立ち上がり時間が短く表面温度分布が均一な定着ローラ及びこれを備えた定着装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために請求項１に記載の発明は、用紙に転写された未定着トナーを定着させる定着装置に備えられ、金属製芯金上に離型層を有している定着ローラにおいて、前記離型層を有する胴部と、該胴部の両端に設けられている軸頸部とを異なる材質により構成し、且つ、前記軸頸部を形成する材質の熱伝導率が前記胴部を形成する材質の熱伝導率よりも小さくしたことを特徴とする。
また請求項２に記載の発明は、前記軸頸部を形成する材質がセラミックスである請求項１記載の定着ローラを特徴とする。
また請求項３に記載の発明は、前記軸頸部を形成する材質が耐熱性樹脂である請求項１記載の定着ローラを特徴とする。
また請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の定着ローラを備えている定着装置を特徴とする。

本発明によれば、両端の軸頸部と胴部を別材質にし、軸頸部の材質が胴部よりも熱伝導率が低いため、胴部を熱的に断熱構造とすることができ、立ち上がり時にハロゲンヒータが供給する熱を奪われにくく、立ち上がり時間を短縮することが可能となり、省エネルギの効果も見込める。
また、同時に軸頸部から熱が逃げないため、軸方向で均一な表面温度を維持できるため定着性バラツキの少ない定着ローラを生産、供給することが可能となる。
上記定着ローラを定着装置に組み込むことで、製商品の立ち上がり時間が短く、定着性のバラツキがない、良好な画像品質を有する定着装置を生産でき、製商品の高品質化と低コスト化、ならびに省エネルギ化に貢献できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る定着ローラの一部を拡大して示した拡大断面図、図２は第２の実施形態に係る定着ローラの一部を拡大した拡大断面図である。なお、図１及び図２には胴部２の両側に設けられているジャーナル部の片側のみを図示している。
この図１に示す定着ローラ１は、両側のジャーナル部（軸頸部）３、３と胴部（離型層）２のスリーピース構成となっている。両側のジャーナル部３、３は胴部２の内径に入り込むボス部６を備えている。
定着ローラ１の芯金（胴部、離型層）は、多くの場合、鉄系またはアルミニウム合金を使用している。これらの材料を用いた芯金は非常に熱伝導率が高く、且つ短時間で高温に達する。しかし、同時に接触しているものに対して熱を伝導し易いという特性も併せ持っている。
従って、胴部を速く昇温するためには、ジャーナル部３とベアリング（図示せず）の界面で熱の移動を遮断してやれば良い。そのためには、前述のごとく、ジャーナル部３を金属よりも低熱伝導率の物質で形成し、定着ローラ１を両ジャーナル部３と胴部２のスリーピース構成として、熱的にフロート状態を作り上げる。
ジャーナル部３の具体的な材質としては、アルミナや窒化シリコン、ジルコニアを始めとするセラミックスか、樹脂系であれば、広く耐熱樹脂として知られるポリイミドもしくはポリアミドイミドなどが相応しい。
ジャーナル部３をセラミックスとすることでベアリング５との摺動に対してアルミ製芯金よりも許容範囲が広がり、寿命を延ばす効果がある。また、ジャーナル部３を耐熱性樹脂とすることで部品の軽量化が図られ、さらにセラミックスの欠点でもある衝撃によるクラック、割れの懸念をなくすことができる。

次に、胴部とジャーナル部の締結方法をジャーナルタイプの定着ローラについて述べる。離型層を有する胴部２は、ストレートタイプの定着ローラ１と同様に、例えばアルミニウムの押し出し材等を使用して製作し、ジャーナル部３を前記の低熱伝導率材料で形成する。
これらを組み付ける際に最も簡易な方法は圧入であり、図１に示すように適切な軸方向の圧入長さと、通常多くの場合マイナス５μｍ〜２０μｍ程度である圧入代を設定する。
圧入長さは、組み付けの際に適宜管理する。但し、この方式では振れ精度に懸念が残るため、胴部２の開口部の端面と突き当てて圧入する図２に示した第２の実施形態の定着装置のようなツバ７付きタイプのほうが管理がし易い。
図２はそのような構造を示した図である。このときも圧入長さや圧入代は前記の場合と同一でよいが、組み付けの圧入力は、突き当たって停止するまでの押し切り方式で可能である。

図３は定着装置に備えられている定着ローラと加圧ローラとを示す部分断面図である。図３において定着装置は定着ローラ１と対向して配設される加圧ローラ１２を備えている。この加圧ローラ１２も構成としては金属製のシャフト９にシリコンゴム、スポンジ等の弾性層８を注型等の工法で形成している。
定着装置はこれら定着ローラ１と加圧ローラ１２の２つのローラ１、１２をそれぞれボールベアリング５によって支持し、対向圧着した状態で組み付けている。次に、加圧ローラ１２の抵抗トルクあるいは駆動トルクが大きく圧入だけでは強度的に不安が残る場合について述べる。胴部２外径表面からジャーナルボス部６に向かってネジやボルトで締結する方法も簡易である。
しかしながら、胴部２の表面にネジやボルトの頭が出ることになり、加圧ローラ１２の長さ等に制約を受け、部品点数も増えるという欠点がある。
従って、この場合は胴部２の開口部のインロー（受け口）部分とジャーナル部３のボス６の外径部にネジを形成しておき、このネジによって直接胴部２とジャーナル部３を締結するほうが良い（図示せず）。
この場合は、ネジが締まる向きに駆動側ジャーナルを回転させ、従動側ジャーナルは同様にネジが締まる向きに回転力を受ける方向で、右ネジ、左ネジを設定しておく必要がある。

図４は定着ローラのジャーナル部と胴部との他の締結方式を説明するための部分斜視図である。さらにもう１つの手段として、キー溝方式がある。ジャーナル部３のボス部６の外径部にφ１〜φ２程度の突起１０を少なくとも円周方向で１個以上形成しておき、一方、胴部２にはＬ字形のキー溝１１を形成しておく。
このＬ字形キー溝１１は、芯金胴部２の内径部側にだけ形成しても良いが、胴部２の肉厚が１ｍｍ以下の薄肉である場合は貫通させておくほうが加工し易い。ストレート形状のキー溝よりもＬ字形のほうが良い理由は、軸方向の抜け防止の効果があるからである。
そしてねじ込み方式と同様に肝要な点は、Ｌ字形のキー溝の向きが、ジャーナル部３からの回転力を受ける方向であること、従動側においてはジャーナル部３の抵抗トルクを受ける向きであるように設定することである。
この方式では、ジャーナル部３のボス部６の外径部に形成した突起１０の高さを胴部２の肉厚と略同一にしておけば、前記したボルト締結のような不具合はない。もっとも、これらの機械的な締結方式は、主に定着ローラ駆動の場合に有効であり、加圧ローラ駆動であれば、前記した圧入のみの方式でも強度的に可能である。
ジャーナル部３の製造方法については、セラミックスの場合は焼結で、ポリイミドの場合でも熱硬化性であれば焼結で製造でき、熱可塑性を用いる場合は射出成形によって製造可能である。

また定着ローラは胴部外径やジャーナル部の外径の設定値が多岐に渡るが、本発明のジャーナル部はジャーナル部の外径とジャーナル部３のボス部６外径を、１種類に統一し、胴部のインロー内径をそれに合わせて機種間で統一すれば、全機種にわたり、１種類のジャーナル部で供給できるため、多数の利点を有しかつベアリングの共通化等による低コスト化を図るという副次的な効果も得られる。
上記ではジャーナルタイプの定着ローラについて説明した。しかしながら、φ２０〜φ３０前後のストレートタイプについても同様に応用可能である。
以上のように、アルミニウム等で一体構造であった定着ローラを、胴部と両ジャーナル部のスリーピース構造とすることで、熱的にフロート状態を作り、断熱性が高まるため、立ち上がり時間を短縮でき、また同時に定着ローラの軸方向において、温度分布が均一となり、定着性バラツキのない良好な画質を得ることが可能となる。
またさらに部品共通化を進めれば、量産効果により部品の低コスト化と管理の簡略化も同時に達成することができる。本発明は熱伝導を抑制するのに使用するローラの構成に応用可能である。

本発明の第１の実施形態に係る定着ローラの一部を拡大して示した拡大断面図。 本発明の第２の実施形態に係る定着ローラの一部を拡大した拡大断面図。 定着装置に備えられている定着ローラと加圧ローラとを示す部分断面図。 定着ローラのジャーナル部と胴部との他の締結方式を示す部分斜視図。 ジャーナルタイプの定着ローラの概略図。 ジャーナル部分の構造を拡大して示した拡大図。

符号の説明

１…定着ローラ、２…胴部（離型層）、３…ジャーナル部、５…ベアリング、６…ボス部、７…ツバ部、１０…胴部のＬ字形キー溝、１１…ボス部の突起

Claims (4)

1. 用紙に転写された未定着トナーを定着させる定着装置に備えられ、金属製芯金上に離型層を有している定着ローラにおいて、
   前記離型層を有する胴部と、該胴部の両端に設けられている軸頸部とを異なる材質により構成し、且つ、前記軸頸部を形成する材質の熱伝導率が前記胴部を形成する材質の熱伝導率よりも小さくしたことを特徴とする定着ローラ。
2. 前記軸頸部を形成する材質がセラミックスであることを特徴とする請求項１記載の定着ローラ。
3. 前記軸頸部を形成する材質が耐熱性樹脂であることを特徴とする請求項１記載の定着ローラ。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の定着ローラを備えていることを特徴とする定着装置。

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