JP2008040314A - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ベルト定着方式の定着装置において、記録材として薄手コート紙等を用いた場合であっても、ひじわ、しわ及びあばら等の紙変形を生じることのない定着方式の定着装置を提供する。
【解決手段】定着ベルトを張架する第1加圧ローラの幅方向の外径が中央部より端部が大きい逆クラウン形状とし、前記第1加圧ローラと定着ベルトを介して定着ニップ部を形成する第2加圧ローラの幅方向の外径が中央部より端部が小さい正クラウン形状又は幅方向外径が均一なストレート形状とする。
【選択図】図3

Description

本発明は、電子写真複写機、ファクシミリあるいはプリンター等の画像形成装置において、トナー像をベルトを用いて定着するベルト定着装置に関する。
複写機、プリンタ、ファクシミリ、及びこれらの諸機能を備えた複合機等の電子写真方式の画像形成装置においては、原稿に対応した潜像を感光体に形成し、この潜像にトナーを付与することによって顕像化し、この顕像化されたトナー像を記録材(以下、紙ともいう)に転写し、この後、記録材に転写されたトナー像を定着して排紙している。
このようにトナー像を定着する定着装置としては、無端状の定着ベルトをハロゲンヒータ等を内蔵した加熱ローラと第1加圧ローラとに張架し、定着ベルトを介して第1加圧ローラを加圧する第2加圧ローラを有し、定着ベルトと第2加圧ローラとによって形成された定着ニップ部で、トナー像が転写された記録材を挟持・搬送しながら、加熱・加圧するベルト定着方式の定着装置があり、このような定着装置においては定着ベルトの熱容量が小さいので、ウオーミングアップタイムが短縮し、また省エネを図ることが可能になる。
しかしながら、前記定着装置においては、定着ニップ部を記録材が通過することにより生ずる紙変形の問題がある。従来知られている紙変形には、あばらやしわがある。図6は前記しわの状態を示す模式図で、図6(a)は平面を、(b)は側面を示す。図7は前記あばらの状態を示す模式図で、図7(a)は平面を、(b)は側面を示す。
しわは、記録材が通紙方向中央に寄ることにより、通紙方向に平行な折れ目ができるものであり、記録材の搬送速度が端部より中央が速いため発生する。そのため、中央より端部の搬送速度が速くなるようなローラ形状にすることが行われている。前記ローラ形状として、ベルト定着方式でベルトを介して定着ニップ部を形成する第1加圧ローラと第2加圧ローラの少なくとも一方をローラの端部外径が中央外径よりも大きい逆クラウン(鼓)形状にすることが行われている。ベルト定着方式の場合は、通常、ベルト外側の第2加圧ローラを逆クラウンにしている。しかし、この逆クラウンを大きくしすぎると、記録材の両端への引っ張りが過剰になり記録材にローラの幅方向(以下、長手方向ともいう)の波うちが発生するあばらになる。このため、逆クラウン量を適正化し、しわ、あばらが発生しないようにすることが行われている。
上記問題に対し、定着ローラ(第1加圧ローラ)が記録媒体搬送ローラ(第2加圧ローラ)との間で前記定着ベルトを介してニップ部を形成し、前記記録媒体搬送ローラは長手方向中央部の外径が長手方向両端部の外径よりも小さい逆クラウン形状をなし、前記定着ローラは芯金上に弾性層を有していて長手方向中央部の外径が長手方向両端部の外径よりも大きい正クラウン形状をなす定着装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、ベルト定着装置において定着ローラ(第1加圧ローラ)は、その回転中心線に対して中央部が太くかつ両端部が細い太鼓形状であり、加圧ローラ(第2加圧ローラ)は、その回転中心線に対して中央部が細くかつ両端部が太い鼓形状であるベルト定着装置が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特開2002−333789号公報 特開2002−296937号公報
しかしながら、前記ベルト定着方式の定着装置では、記録材の一種である薄手コート紙等の通紙において、紙目方向が通紙方向と同方向の場合に前記薄手コート紙等に、前述の紙変形とは異なる、略通紙方向に沿った波打ち(以下、ひじわと称する)が生じやすい。前記薄手コート紙等はPOD(プリント・オン・デマンド)市場での需要が高く、従来電子写真方式の画像形成装置が主に使われてきたオフィス市場では用いられなかったものである。前記画像形成装置のPOD市場への適用にともない前記ひじわの対策が求められている。図8は前記ひじわの状態を示す模式図で、図8(a)は平面を、(b)は側面を示す。
本発明は、上記状況に鑑みなされたもので、記録材として薄手コート紙等を用いた場合であっても、しわ及びあばらの従来からある紙変形に加え、新たな課題となったひじわも含めた紙変形を生じることのないベルト定着方式の定着装置を提供することを目的とする。
上記目的は、下記の構成により達成される。
1.第1加圧ローラと、少なくとも前記第1加圧ローラに張架された定着ベルトと、前記第1加圧ローラと前記定着ベルトを介して定着ニップ部を形成する第2加圧ローラとを備え、未定着トナー像を担持する記録材の未定着トナー面が前記定着ベルトと接触する向きで前記定着ニップ部を通過することで該未定着トナーを該記録材に定着する定着装置において、前記第1加圧ローラの幅方向外径が中央部より端部が大きい逆クラウン形状であり、前記第2加圧ローラの幅方向外径が中央部より端部が小さい正クラウン形状又は幅方向外径が均一なストレート形状であることを特徴とする定着装置。
2.前記第1加圧ローラの逆クラウン量の絶対値をA、前記第2加圧ローラの正クラウン量をBとしたとき、A/2≧Bであることを特徴とする1に記載の定着装置。
3.前記定着ベルトの表層がソフトPFA(パーフルオロアルコキシ)であることを特徴とする1又は2に記載の定着装置。
4.前記未定着トナーがワックスを含有することを特徴とする1乃至3の何れかに記載の定着装置。
5.1乃至4の何れかに記載の定着装置を有することを特徴とする画像形成装置。
上記構成によれば、ベルト定着方式の定着装置において、第1加圧ローラの幅方向外径が中央部より端部が大きい逆クラウン形状であり、第2加圧ローラの幅方向外径が中央部より端部が小さい正クラウン形状又は幅方向外径が均一なストレート形状とすることにより、ひじわの発生を防止することができる。
更に、前記第1加圧ローラの逆クラウン量の絶対値をA、前記第2加圧ローラの正クラウン量をBとしたとき、A/2≧Bとすることにより、ひじわ、しわ及びあばらの紙変形を防止することができ、高品質の画像形成を可能とすることができる。
本発明は、ワックスを含有したトナーを用いたオイルレス定着や、定着ベルト表面にソフトPFAを用いた定着装置において特に効果的である。これは、オイルレス定着ではオイルよりもワックスの滑り性が小さく、ソフトPFAではその柔軟性により定着ベルトと記録材の実効的な接触面積が大きくなって定着ベルトが記録材を拘束する力が大きいため、定着ベルトやローラの幅方向の表面速度の差の影響がより大きく現れるためである。
以下に本発明に係る定着装置の実施の形態について図を参照して説明する。なお、本発明は、以下に限定されるものではない。
図1は、本発明の定着装置が適用可能な画像形成装置の一例を示す図である。
本発明に係る画像形成装置は画像形成装置本体GHと画像読取装置YSとから構成される。画像形成装置本体GHは、タンデム型カラー画像形成装置と称せられるもので、複数組の画像形成部10Y,10M,10C,10K、ベルト状の中間転写体6、給紙搬送手段及び本発明に係る定着装置9等からなる。
画像形成装置本体GHの上部には、自動原稿送り装置201と原稿画像走査露光装置202から成る画像読取装置YSが設置されている。自動原稿送り装置201の原稿台上に載置された原稿dは搬送手段により搬送され、原稿画像走査露光装置202の光学系により原稿の片面又は両面の画像が走査露光され、ラインイメージセンサCCDに読み込まれる。
ラインイメージセンサCCDにより光電変換されて形成された信号は、画像処理部において、アナログ処理、A/D変換、シェーディング補正、画像圧縮処理等が行われた後、露光手段3Y,3M,3C,3Kに送られる。
イエロー(Y)色の画像を形成する画像形成部10Yは、感光体ドラム1Yの周囲に帯電手段2Y、露光手段3Y、現像装置4Y及びクリーニング手段8Yを配置している。マゼンタ(M)色の画像を形成する画像形成部10Mは、感光体ドラム1Mの周囲に帯電手段2M、露光手段3M、現像装置4M及びクリーニング手段8Mを配置している。シアン(C)色の画像を形成する画像形成部10Cは、感光体ドラム1Cの周囲に帯電手段2C、露光手段3C、現像装置4C及びクリーニング手段8Cを配置している。黒(K)色の画像を形成する画像形成部10Kは、感光体ドラム1Kの周囲に帯電手段2K、露光手段3K、現像装置4K及びクリーニング手段8Kを配置している。そして、帯電手段2Yと露光手段3Y、帯電手段2Mと露光手段3M、帯電手段2Cと露光装置3C、及び帯電手段2Kと露光装置3Kは、潜像形成手段を構成する。
なお、現像装置4Y,4M,4C,4Kは、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)及び黒(K)の小粒径のトナーとキャリアからなる2成分現像剤を内包する。本実施の形態におけるトナーは、脂肪酸エステル等のワックス成分を、例えば8〜12質量部含有し、重合法によって製造されたものであるが、これに限定されるものではない。
中間転写体6は、複数のローラにより巻回され、回動可能に支持されている。
定着装置9は、芯金上に弾性体層を有する第1加圧ローラ93と、内部に加熱手段を有する加熱ローラ92と、第1加圧ローラ93と加熱ローラ92の間に張架された無端状の定着ベルト91と、第1加圧ローラ93と対向する位置に定着ベルト91に圧接可能に配設され、定着ニップ部を形成する第2加圧ローラ94と、を備え、未定着トナー像を担持する記録材Pの未定着トナー面が定着ベルト91と接触する向きで定着ニップ部を通過することで未定着トナーを記録材Pに、加熱・加圧して定着する。
かくして、画像形成部10Y,10M,10C,10Kより形成された各色の画像は、回動する中間転写体6上に転写手段7Y,7M,7C,7Kにより逐次転写されて(1次転写)、カラー画像合成されたトナー像が形成される。給紙カセット20内に収容された記録材Pは、給紙手段21により給紙され、給紙ローラ22A,22B,22C,22D,レジストローラ23等を経て、転写手段7Aに搬送され、記録材P上にカラー画像が転写される(2次転写)。カラー画像が転写された記録材Pは定着装置9において加熱・加圧され、記録材P上のカラートナー像が定着される。その後、排紙ローラ24に挟持されて機外の排紙トレイ25上に載置される。
一方、転写手段7Aにより記録材Pにカラー画像を転写した後、記録材Pを曲率分離した中間転写体6は、クリーニング手段8Aにより残留トナーが除去される。
なお、以上はカラー画像を形成する画像形成装置であったが、モノクロ画像を形成する画像形成装置であってもよい。
次に、本発明に係る定着装置9について説明する。図2は、定着装置の概略を示す断面図である。図3は定着装置のローラ幅方向の概略を示す正面図である。
定着ベルト91は、無端状に形成され、例えば、基体として厚さ70μmのPI(ポリイミド)等からなる耐熱性の樹脂ベルトを用い、基体の外周面を厚さ200μmの耐熱性のシリコンゴムで積層し、更に、表層として厚さ30μmのPFA(パーフルオロアルコキシ)チューブで構成される。表層は記録材が定着ベルトから分離できるように機能している。定着ベルト91の外径寸法は、80mm(周長約251mm)で幅は340mmとしている。基体としては、他にニッケル電鋳等の金属ベルトを用いてもよい。機械的耐久性としてはやや劣るが熱伝達(加熱ローラ→基体→弾性層)上有利である。また、シリコンゴムに換え、フッ素ゴムも好適である。
前記表層においては、従来は定着時の定着部材(定着ベルト)からの記録材の分離性能を確保するためオイル塗布等が行われてきたが画像のぎらつきや過剰な滑り性等画像品質を落としていた。また、オイル補給等の余分な機構及び維持作業が必要になっていた。これを改善するため、バインダー中に低融点のワックスを分散し、定着時に滲み出させて分離性能を向上させるトナーが採用されている。付随して、定着ベルトが一回転して次の画像に接するとき、前画像のパターンに対応して光沢の高低(以降、光沢メモリともいう)が生じることが判明した。事務書類等では問題になることはないが、印刷分野では少なくない、高光沢で大きなベタが多い画像では認識でき、商品の欠陥となる。
前記光沢メモリの解消のため、前記表層がソフトPFA(例えば、三井・デュポンフロロケミカル(株)製ソフトPFAをチューブ状に成形したもの)であることが好ましい。前記ソフトPFAは、従来品のPFAの950HP Plus及びPFA451HP−J(三井・デュポンフロロケミカル(株)製)が200℃の引張弾性率が29〜46MPaであるのに対して、200℃の引張弾性率が18MPaと約半分の特性を有している。
加熱ローラ92は、定着ベルト91を加熱する加熱手段としてのハロゲンランプH1を内蔵し、例えば、アルミニュウム等から形成された肉厚2mmの円筒状の中空回転体を芯金92Aとして、外周面にPFA(パーフルオロアルコキシ)を厚さ30μmコーティングし表面層92Bとしている。加熱ローラ92の外径寸法は50mmで幅は345mmとしている。
第1加圧ローラ93は、SUS中実の回転体を芯金93Aとして、シリコンゴム(硬度JIS A 10°)93Bを7.5mm積層して構成し、幅方向外径が中央部より端部が大きい逆クラウン形状としている。第1加圧ローラ93の両端部よりそれぞれ30mm中央寄りの外径寸法を40mmとし、ローラ幅は350mmとしている。
図4は第1加圧ローラ93の逆クラウン形状の一例を示す模式図である。本実施の形態では、第1加圧ローラ中央部を中心に直線で逆クラウン形状を形成しているが、双曲線や円弧で形成してもよい。
クラウン量は、「ローラ中央部外径−ローラ端部より30mm位置の外径」とする。以下、第1加圧ローラ93においては、前記「ローラ端部より30mm位置の外径」をローラ端部の外径する。逆クラウン量は−、正クラウン量は+となる。
第2加圧ローラ94は、ハロゲンランプH2を内蔵し、例えば、アルミニュウム等から形成された肉厚2mmの円筒状の中空回転体94Aの外周面に、厚さ2mmの耐熱性のシリコンゴム(硬度JIS A 10°)94Bを積層し、更に、離型層94Cとして厚さ30μmのPFAのコーティングしている。第2加圧ローラ94の両端部よりそれぞれ35mm中央寄りの外径寸法を50mmとし、ローラー幅は360mmとしている。
クラウン量は、「ローラ中央部外径−ローラ端部より35mm位置の外径」とする。以下、第2加圧ローラ94においては、前記「ローラ端部より35mm位置の外径」をローラ端部の外径する。逆クラウン量は−、正クラウン量は+となる。
第2加圧ローラ94は、ローラ幅方向の外径が中央部より端部が小さい正クラウン形状、又は前記外径が均一なストレート形状で構成される。図5は第2加圧ローラ94の形状の一例を示す模式図である。実線はストレート形状で、破線は正クラウンを設けた場合を示す。
また、定着ベルト91を介して加熱ローラ92の温度を検知する非接触型の温度センサS1、及び加圧ローラ94の温度を検知する非接触型の温度センサS2が設けられている。
なお、図2における第2加圧ローラ94の内部にはハロゲンランプH2を内蔵しており、第2加圧ローラ94の急激な温度低下を防止しているが、ハロゲンランプH2を内蔵していない加圧ローラ94であっても構わない。
また、定着ベルト91を加熱する加熱手段として、どのような加熱手段を用いてもよく、例えば励磁コイルを用いた誘導加熱発熱体を用いてもよい。加熱手段は、必ずしも加熱ローラ92の内部に配置されていなくてもよく、どこに配置されていてもよい。
以上の構成において、不図示の駆動手段によって第1加圧ローラ93を時計方向に回転させると、定着ベルト91及び加熱ローラ92は時計方向に回転し、第2加圧ローラ94は反時計方向に回転する。また、加熱ローラ92に当接する定着ベルト91はハロゲンランプH1により加熱され、第2加圧ローラ94もハロゲンランプH2によって加熱される。そして、不図示の付勢手段によって第2加圧ローラ94が第1加圧ローラ93の方向に付勢されているので、第1加圧ローラ93に巻回された定着ベルト91と第2加圧ローラ94との間に形成された定着ニップ部Nで、給紙された記録材Pが加熱・加圧されて、記録材P上のトナー像が定着される。定着ニップ部Nの幅は11〜12mmとしている。
前述のように、第1加圧ローラ93の幅方向の外径を中央部より端部が大きい逆クラウン形状とし、第2加圧ローラ94のローラ幅方向の外径を中央部より端部が小さい正クラウン形状、又は前記外径が均一なストレート形状とすることにより、紙目方向が通紙方向と同方向の場合に薄手コート紙等に生ずるひじわの発生を防止することが可能となる。
しかしながら、第1加圧ローラ93の逆クラウン量の絶対値Aに対し第2加圧ローラ94正クラウン量Bが大きいと第1加圧ローラ93と第2加圧ローラ94の圧接力はローラ中央部で大きくなるため紙の搬送速度が端部より中央が速くなり、しわの生ずる懸念がある。このため、A/2≧Bであることが好ましい。これによりひじわ、しわの発生を防止できる。また、あばらの発生を防止するため、記録材Pの両端への引っ張りが過剰にならないよう第1加圧ローラ93の逆クラウンのクラウン量はー0.2mm〜−0.05mmにすることが好ましい。
本実施の形態においては、第1加圧ローラのクラウン量を−0.15mm、第2加圧ローラのクラウン量を0mmとして、ひじわの発生しやすいコート紙やしわやあばらの発生しやすい普通紙も含めた種々の紙で、紙変形のない良好な記録材の出力を得ることができた。
以下に、本実施の形態のクラウン形状を選定するために行った実験の一部を示す。この実験から明らかなように、本発明の効果は本実施の形態の構成に限定されるものではなく、前記実験示された範囲内で適宜選択される構成であれば得られるものである。
図1に示す画像形成装置を用いて通紙を行い、ひじわ、しわの評価を行った。
定着装置構成
定着ベルト:70μmPI(ポリイミド)/200μmシリコンゴム/30μmPFA(パーフルオロアルコキシ)チューブ、外径80mm、幅340mm
加熱ローラ:アルミニュウム中空(肉厚2mm)芯金/30μmPFAコーティング、外径50mm、幅は345mm
第1加圧ローラ:SUS中実芯金/7.5mmシリコンゴム(硬度JIS A 10°)ローラ端部の外径40mm、幅350mm、逆クラウン形状
第2加圧ローラ:アルミニュウム中空(肉厚2mm)芯金/2mmシリコンゴム(硬度JIS A 10°)/30μmPFAコーティング、ローラ端部の外径50mm、幅は360mm、正クラウン形状又はストレート形状
定着ニップ部ローラ荷重:1000N
定着ニップ幅:11〜12mm
(ひじわ評価)
上記定着装置構成で、第1加圧ローラ及び第2加圧ローラのクラウン量を表1に記載のように変化させ、全ベタ黒画像を形成して、ひじわ発生の有無を目視評価した。
記録材:銘柄 OK金藤+(王子製紙製)、斤量 84.9g/m2、サイズ A4(紙目方向が通紙方向)
評価:前記記録材を各々50枚ずつ通紙し、全ベタ黒画像を形成して、目視評価
○ 認められない
△ 僅かに認められるが通常は問題にならないレベル
× ひじわが認められ、問題になりうるレベル
Figure 2008040314
表1に示すように、第1加圧ローラ93のクラウン量を0〜−0.4mm、即ち逆クラウンとすることで、また第2加圧ローラ94のクラウン量を0〜0.2mm、即ち正クラウンとすることで、ひじわの発生を防止できることが確認された。しかしながら、第1加圧ローラのクラウン量の0は、ひじわ発生有無の境界に近いため、前記クラウン量は−0.05mmより大きな逆クラウン量とすることが好ましい。
(しわ評価)
上記定着装置構成で、第1加圧ローラ93及び第2加圧ローラ94のクラウン量を表2に記載のように上記ひじわ評価と同様に変化させ、通紙し、しわ発生の有無を目視評価した。
記録材:銘柄 Jペーパー(コニカミノルタビジネスソリューションズ(株)製)、斤量 64g/m2、サイズ A3を用いて作成されたしわチャート(しわチャート:しわ評価用に用いるチャートで、中央150mm幅ブルーベタ/両端幅70mmシアンハーフトーン)
評価:前記しわチャートを各々50枚ずつ通紙し、しわ発生の有無を目視評価
○ 50枚中全てに発生なし
× 50枚中に少なくとも1枚の発生が認められる
Figure 2008040314
表2に示すように、第1加圧ローラ93の逆クラウン量の絶対値Aに対し第2加圧ローラ94正クラウン量BがA/2≧Bの場合にはしわの発生が認められず、本発明の効果が確認された。
なお、本実施の形態では、定着ベルトをヒーターを内蔵した加熱ローラと第1加圧ローラとの間に張架した構成について説明したが、加熱ローラに換えて定着ベルトと摺動する加熱部材を用いたり、熱源を内蔵しない加熱ローラを電磁誘導加熱方式で加熱したり、定着ベルトを電磁誘導加熱方式やハロゲンヒーター等で直接加熱してもよく、第1及び第2加圧ローラと定着ベルト以外の構成は、適宜選択されるものである。
本発明に係る画像形成装置の一例を示す図である。 定着装置の概略を示す断面図である。 定着装置のローラ幅方向の概略を示す正面図である。 第1加圧ローラの逆クラウン形状の一例を示す模式図である。 第2加圧ローラの形状の一例を示す模式図である。 しわの状態を示す模式図である。 あばらの状態を示す模式図である。 ひじわの状態を示す模式図である。
符号の説明
GH 画像形成装置本体
YS 画像読取装置
9 定着装置
91 定着ベルト
92 加熱ローラ
92A 芯金
93 第1加圧ローラローラ
93A 芯金
94 第2加圧ローラ
94A 中空回転体
N 定着ニップ部

Claims (5)

  1. 第1加圧ローラと、少なくとも前記第1加圧ローラに張架された定着ベルトと、前記第1加圧ローラと前記定着ベルトを介して定着ニップ部を形成する第2加圧ローラとを備え、
    未定着トナー像を担持する記録材の未定着トナー面が前記定着ベルトと接触する向きで前記定着ニップ部を通過することで該未定着トナーを該記録材に定着する定着装置において、
    前記第1加圧ローラの幅方向外径が中央部より端部が大きい逆クラウン形状であり、前記第2加圧ローラの幅方向外径が中央部より端部が小さい正クラウン形状又は幅方向外径が均一なストレート形状であることを特徴とする定着装置。
  2. 前記第1加圧ローラの逆クラウン量の絶対値をA、前記第2加圧ローラの正クラウン量をBとしたとき、A/2≧Bであることを特徴とする請求項1に記載の定着装置。
  3. 前記定着ベルトの表層がソフトPFA(パーフルオロアルコキシ)であることを特徴とする請求項1又は2に記載の定着装置。
  4. 前記未定着トナーがワックスを含有することを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の定着装置。
  5. 請求項1乃至4の何れかに記載の定着装置を有することを特徴とする画像形成装置。
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