JP2010217297A - 定着装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】定着ローラ等の製造コストを低減でき、かつ、定着ローラ等の耐久性の低下を防止でき、かつ、記録紙のシワを抑え、後端部の跳ね上げを防止できる定着装置および画像形成装置を提供すること。
【解決手段】定着ローラ５２は、外周面が円筒形の芯金５２ａの上に、順次、シリコーンゴム層５２ｂとシリコーンスポンジ５２ｃを設けている。上記シリコーンスポンジ層５２ｃは、芯金５２ａの軸方向の中央部側から軸方向の両端部側に行くに従って厚くなり、かつ、シリコーンゴム層５２ｂよりも硬度が低い。
【選択図】図４

Description

この発明は、電子写真方式の複写機、プリンタやファクシミリなどの定着装置、および、この定着装置を有する画像形成装置に関する。

従来より、定着装置は、定着ローラと加圧ローラとを備え、この定着ローラと加圧ローラとを互いに圧接してニップ部を形成するようにしている（特許文献１（特開平９−１５２８０３号公報）図１参照）。そして、このニップ部に未定着画像を有する記録紙を通過させて、この記録紙に熱と圧力を加えて画像を定着させるようにしている。上記加圧ローラは、クラウン形状の芯金と外周が円筒面であるゴム層を有し、この芯金は軸方向の中央部が最大径で軸方向端部に向かってテーパー状に小径になっていて、芯金を覆うゴム層の厚みを変えることにより、中央部と両端部で搬送速度をかえて記録紙にシワが発生するのを抑制するようにしている。

しかしながら、上記従来の加圧ローラは、記録紙のシワの発生を防止するために、芯金の外形がクラウン形状であるため、芯金の加工が容易ではなく、コストアップを招くという問題があった。

また、上記従来の加圧ローラでは、ゴム層が一層なので、ゴム層に永久ひずみが生じて、上記加圧ローラの耐久性が低下するという問題があった。

特開平９−１５２８０３号公報

そこで、この発明の課題は、加圧ローラや定着ローラの加工を容易にして製造コストを低減できると共に、加圧ローラや定着ローラの耐久性を向上できる定着装置および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、この発明の定着装置は、
定着ローラと、
上記定着ローラと共にニップ部を形成する加圧ローラと
を備え、
上記定着ローラと上記加圧ローラのうち少なくとも一方は、
外形が円筒形の芯金と、
上記芯金の外周に設けられると共に上記芯金の軸方向の両端部側から軸方向の中央部側に行くに従って厚くなる下弾性層と、
上記下弾性層の周りに設けられると共に、上記芯金の軸方向の中央部側から軸方向の両端部側に行くに従って厚くなり、かつ、上記下弾性層の硬度よりも硬度が低い上弾性層と
を有することを特徴としている。

この発明の定着装置によれば、上記定着ローラと加圧ローラとのうち少なくとも一方の芯金は外周面が円筒形であるので、この円筒形の芯金は、クラウン形状の芯金の加工に比べて加工が容易で、安価に製造できる。

また、上記定着ローラと加圧ローラとのうち少なくとも一方は、上記芯金の外周に設けられると共に上記芯金の軸方向の両端部側から軸方向の中央部側に行くに従って厚くなる下弾性層と、上記下弾性層の周りに設けられると共に、上記下弾性層の硬度よりも硬度が低い上弾性層とを有して、ニップ部を形成する定着ローラおよび加圧ローラの少なくとも一方の下弾性層の厚さを軸方向の中央部に対し両端部を薄くし、かつ、上弾性層の厚さを軸方向の中央部の厚さに対して両端部を厚くして、定着ローラや加圧ローラの表面の硬度が中央部に対し両端部が低くなっているから、軸方向の両端部で上、下弾性層の全体のひずみ量が軸方向の中央部での上、下弾性層全体のひずみ量よりも増大する。そのため、定着ローラおよび加圧ローラのニップ部を形成するローラ軸方向の中央部よりも両端部の方が記録紙を保持するニップ部の幅が広がる。そのため、定着ローラおよび加圧ローラの軸方向の中央部よりも両端部において記録紙の搬送量が多くなって、記録紙を両端部方向に広げる作用が働き、ニップ部前の中央部にできる記録紙のたるみを伸ばし、記録紙にシワが発生するのを防止することができる。

また、上記定着ローラおよび加圧ローラの少なくとも一方において、軸方向の両端部よりも、軸方向の中央部の硬度が高くなるため、中央部のニップ部の幅が狭くなっていても、中央部のニップ部の圧力は両端部のニップ部の圧力よりも高いため、定着性能を悪化させることがない。

また、上記硬度の低い上弾性層と芯金との間に、硬度の高い下弾性層を設けているので、上弾性層の機械的ダメージを緩和して、耐久性能を向上できる。

一実施形態では、
上記上弾性層は軸方向の中央部における最小厚さに対して両端部における最大厚さが２０％〜４０％厚い。

上記実施形態によれば、上記上弾性層は軸方向の中央部における厚さに対して両端部における厚さが２０％〜４０％厚いので、軸方向中央部のニップ部の幅よりも両端部のニップ部の幅の広さが適切な程度に広くなって、記録紙を両端部方向に広げる力が適切に働いて、記録紙のシワの発生を防止できて、良好に定着処理ができ、かつ、記録紙の後端部の跳ね上げを防止できる。

もし、上記上弾性層の軸方向の中央部における最小厚さに対して、両端部における最大厚さが２０％以上厚くなければ、記録紙にシワが発生する。一方、上記上弾性層の軸方向の中央部における最小厚さに対して、両端部における最大厚さが４０％を超えて厚くなると、記録紙の後端部の跳ね上げが発生する。

一実施形態では、
上記下弾性層はシリコーンゴム層であり、上記上弾性層はシリコーンスポンジ層である。

上記実施形態によれば、シリコーンスポンジ層である上弾性層と、芯金との間にシリコーンゴム層である下弾性層が存在するので、芯金と、シリコーンスポンジ層との間に生じるひずみを下弾性層であるシリコーンゴム層で緩和して耐久性を向上できる。

また、上記下弾性層としてシリコーンゴム層を用い、上弾性層にシリコーンスポンジ層を用いているので、容易に適切な硬度を選定できる。

また、この発明の画像形成装置では、上述の定着装置を備えることを特徴としている。

この発明の画像形成装置によれば、安価で良好な定着処理ができる上記定着装置を備えるので、製造コストを低減できる上に、記録紙のシワの発生を防止でき、記録紙の後端部の跳ね上げを防止でき、かつ、耐久性を向上できる。

この発明の定着装置によれば、定着ローラや加圧ローラの製造コストを低減できると共に、記録紙のシワの発生を防止でき、記録紙の後端部の跳ね上げを防止でき、かつ、定着ローラや加圧ローラの耐久性を向上できる。

この発明の画像形成装置によれば、上述の定着装置を備えるので、定着ローラや加圧ローラの製造コストを低減できると共に、記録紙のシワの発生を防止でき、記録紙の後端部の跳ね上げを防止でき、かつ、定着ローラや加圧ローラの耐久性を向上できる。

この発明の画像形成装置の一実施形態を示す概略構成図である。 この発明の定着装置の一実施形態の断面模式図である。 定着ベルトの構成を示す断面図である。 定着ローラの構成を示す断面図である。 ニップ部を通過する際の記録紙に働く力を示す模式図である。 軸方向中央部の上弾性層の最大厚さを基準に、両端部の上弾性層の最小厚さを変化させた場合の記録紙のシワの発生状況を示す図である。 軸方向中央部の上弾性層の厚さを基準に、両端部の上弾性層の厚さを変化させた場合の記録紙の後端部の跳ね上げの発生状況を示す図である。

以下、この発明を図示の実施形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の画像形成装置の一実施形態であるカラープリンタの概略構成を示す図である。

上記カラープリンタ内には、ブラック（Ｂｋ）、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）のトナー画像を形成する各色の画像形成ユニット１、１、・・・（Ｂｋ、Ｙ、Ｍ、Ｃでも表す。）が、矢印Ａで示す方向に循環する中間転写ベルト１１に沿って、上流からＢｋ→Ｙ→Ｍ→Ｃの順に配置されている。

上記画像形成ユニット１は、感光体ドラム２を一様に帯電させるための帯電部３と、帯電した感光体ドラム２に画像の露光を行うための露光部９と、露光によって形成された静電潜像に各色のトナーで現像を行うための現像部４とを備えている。

また、このカラープリンタは全体を制御する制御装置１８を備える。この制御装置１８から、露光制御装置１９に画像に応じた信号が送られる。上記露光制御装置１９は各色に応じて露光部９、９、・・・のそれぞれを駆動する。

上記画像形成ユニット１内の感光体ドラム２上に現像されたトナー画像は、中間転写ベルト１１との接触位置で、１次転写ローラ１２によって中間転写ベルト１１上に転写される。この１次転写後、上記感光体ドラム２に残留したトナーは下流に配置されたクリーニング部５によって除去されて回収される。

上記中間転写ベルト１１上に転写されたトナー画像は、各画像形成ユニット１、１、・・・のそれぞれを通過するごとに各色がその上に重ねられる。最終的に、フルカラーのトナー画像が中間転写ベルト１１上に形成される。

その後、上記中間転写ベルト１１上のフルカラーのトナー画像は、更に下流において、２次転写ローラ１３によって記録紙１４に一括して転写される。

この記録紙１４は、カラープリンタの最下部に設けられた記録紙カセット１７に納められている。この記録紙カセット１７から１枚ずつ記録紙１４が２次転写ローラ１３へ搬送される。

その後、上記記録紙１４は、定着装置５０を通過することによって、フルカラーのトナー画像が定着されて、排紙トレー１６上に排紙される。

一方、上記２次転写ローラ１３による２次転写後に、上記中間転写ベルト１１上に残留したトナーは、ベルトクリーニング部１５によって、中間転写ベルト１１上から除去されて、図示しない搬送スクリューで搬送され、図示しない廃トナー容器に回収される。

なお、上記各部分の配置は、カラープリンタ、複写機、ファクシミリ等の各画像形成装置に応じて適宜変更してもよい。

次に、上記定着装置５０について詳細に説明する。

図２に示すように、上記定着装置５０は、加熱ローラ５１と、定着ローラ５２と、加圧ローラ５４とを備え、定着ベルト５３が加熱ローラ５１と定着ローラ５２に巻き掛けられている。上記加圧ローラ５４と定着ローラ５２とで定着ベルト５３を挟んだ状態で、上記定着ローラ５２に向けて上記加圧ローラ５４が押圧される。これにより、上記定着ベルト５３と加圧ローラ５４との接触部にニップ部が形成される。

上記加熱ローラ５１は、熱源である加熱ヒータ５５を内部に有し、この加熱ローラ５１によって定着ベルト５３が加熱される。なお、上記加圧ローラ５４の内部に熱源を配置する構成にしてもよい。上記加熱ローラ５１の外周にサーミスター５６を対向するように配置して、加熱ローラ５１の温度を検出し、このサーミスター５６が検出した温度に応じて、制御装置１８で加熱ヒータ５５のオンオフを制御することにより、加熱ローラ５１を所定の温度になるように制御している。

上記加圧ローラ５４は図示しない駆動モータにより回転させられ、これに伴って、定着ベルト５３と、定着ローラ５２が従動する。上記定着ベルト５３は回転されるうちに加熱ローラ５１によって全周が加熱されて、所定の温度まで昇温する。

上記定着ベルト５３が所定の温度に加熱された後、表面に未定着トナー画像１４ａが形成された記録紙１４が、ニップ部に突入する。上記記録紙１４が定着ローラ５２と加圧ローラ５４と定着ベルト５３とによって形成されたニップ部を通過する間に、未定着トナー画像１４ａが記録紙１４に定着されて、定着処理が終了する。

上記加熱ローラ５１は、厚さ０．５ｍｍ、外径は２５ｍｍのアルミ製の芯金を有し、この芯金の表面は、耐熱性および耐摩耗性に優れたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦ）が塗装されている。

上記加圧ローラ５４は、芯金５４ａ、弾性層５４ｂおよび離型層（表層）５４ｃから構成されている。上記芯金５４ａは厚さ２．５ｍｍの鉄からなり、上記弾性層５４ｂは厚さ２．５ｍｍ、外径３５ｍｍのシリコーンゴムからなり、上記離型層５４ｃは、厚さ３０μｍ のテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）チューブからなる。

上記定着ベルト５３は、図３に示すように、基層５３ａ、弾性層５３ｂおよび離型層（表層）５３ｃから構成されている。上記基層５３ａは、真円にしたときの内径が６０ｍｍ、幅３３０ｍｍ、厚さ７０μｍのポリイミドフィルムからなり、弾性層５３ｂは厚さ１５０μｍのシリコーンゴムからなり、離型層５３ｃは、厚さ３０μｍのフッ素コートからなる。

上記定着ローラ５２は、図４に示すように、芯金５２ａと、その上の上下２層の弾性層５２ｃ、５２ｂを有する。詳しくは、上記定着ローラ５２は、芯金５２ａの周りに下弾性層の一例としてのシリコーンゴム層５２ｂを設け、このシリコーンゴム層５２ｂの上に、上弾性層の一例としてのシリコーンスポンジ層５２ｃを設けている。

上記定着ローラ５２の芯金５２ａは、鉄製で、本体部５２ａ−１の外周面は外径１８ｍｍの円筒形であり、本体部５２ａ−１の両端にジャーナル部５２ａ−２を有する。上記下弾性層としてのシリコーンゴム層５２ｂは、軸方向の中央部から両端部側に行くに従って徐々に厚さが薄くなっており、中央部の最大厚さが４ｍｍであり、平均厚さが３ｍｍである。上記上弾性層としてのシリコーンスポンジ層５２ｃは、軸方向の中央部側から軸方向の両端部側に行くに従って徐々に厚さが厚くなっており、軸方向の中央部の最小厚さｔ１が２ｍｍであり、平均厚さが３ｍｍである。上記シリコーンスポンジ層５２ｃの軸方向の中央部の最小厚さｔ１に対して両端部の最大厚さｔ２を厚くする比率は、２０％〜４０％である。

上記構成の定着装置によれば、上記定着ローラ５２の芯金５２ａの本体部５２ａ−１の外周面は、円筒形なので、従来のクラウン形状の如き、難しい高精度の加工が不要で、簡単、安価に加工できる。

図２および４に示すように、上記定着ローラ５２の下弾性層であるシリコーンゴム層５２ｂよりも柔らかい上弾性層であるシリコーンスポンジ層５２ｃは、軸方向の中央部側から軸方向の両端部側に行くに従って厚くなっているので、定着ローラ５２において、軸方向の中央部よりも両端部の表面の硬度を小さくすることができて、中央部よりも両端部においてシリコーンスポンジ層５２ｃのひずみ量が増大し、中央部のニップ部の幅よりも両端部のニップ部の幅が広くなって、両端部の記録紙１４の搬送量が多くなる。このため、図５において矢印Ｂに示すように、記録紙１４を両端部方向に広げる作用が働き、ニップ部を通過する前にできた記録紙１４のたるみを伸ばし、記録紙１４にシワが発生するのを防止することができる。より詳しくは、図５に示すように、記録紙１４には、軸方向の中央部では記録紙１４の搬送方向Ｃと平行方向Ｄに力が働くと共に、軸方向の両端部では、搬送方向Ｃに対して斜め方向Ｂに、すなわち、記録紙１４を両端部へ広げる方向Ｂに力が働いて、記録紙１４のシワの発生を防止できるのである。

上記定着ローラ５２は、軸方向の両端部のニップ部の幅よりも中央部のニップ部の幅が狭いが、中央部の表面硬度が両端部よりも高いので、中央部において良好な定着が行える。つまり、上記定着ローラ５２は、２層構造の弾性層、つまり、シリコーンゴム層（下弾性層）５２ｂとシリコーンスポンジ層（上弾性層）５２ｃとを有して、芯金５２ａと柔らかいシリコーンスポンジ層５２ｃとの間に、硬いシリコーンゴム層５２ｂを設けているので、芯金５２ａとシリコーンスポンジ層５２ｃとの間に生じるひずみをシリコーンゴム層５２ｂで緩和できて耐久性を向上できる。

上記定着ローラ５２のシリコーンスポンジ層５２ｃは、軸方向の中央部における厚さに対して両端部における厚さが２０％〜４０％厚いので、軸方向の両端部のニップ部の幅が、中央部のニップ部の幅よりも適切な程度に広くなって、記録紙１４の搬送量が適切に多くなって、記録紙１４を両端部方向に広げる力が適切に働いて、記録紙１４のシワの発生を防止できるとともに、記録紙１４の後端部の跳ね上げを防止できる。ここで、後端部の跳ね上げとは、記録紙１４のうち、ニップ部を通過する前の部分（ニップ部に対して上流側の部分）が定着ローラ５２側に反り、記録紙１４上の未定着トナー画像１４ａがニップ部を通過する前に、定着ローラ５２と接触してしまう現象をいう。

上記定着装置５０を用いて実験を行った結果について説明する。

実験には、高湿環境（温度３０℃、湿度８５％）に８時間調湿した記録紙を使用し、記録紙のシワおよび記録紙の後端部の跳ね上げの有無の確認を行った。

図６は、上弾性層としてのシリコーンスポンジ層５２ｃの軸方向中央部の最小厚さｔ１を基準に、両端部の最大厚さｔ２を厚くする比率を変化させた場合の、記録紙１４のシワの発生状況を示す。なお、図６において、「○」はシワの未発生を示し、「×」はシワの発生を示す。

図６に示すように、上記シリコーンスポンジ層５２ｃの軸方向中央部の最小厚さｔ１を基準に、両端部の最大厚さｔ２を厚くする比率を２０％以上にした場合、記録紙１４にシワは発生せず、良好に定着処理が行えることが分かる。一方、上記比率を１０％にした場合は、記録紙１４にシワが発生した。

図７は、上弾性層としてのシリコーンスポンジ層５２ｃの軸方向中央部の最小厚さｔ１を基準に、両端部の最大厚さｔ２を厚くする比率を変化させた場合の、記録紙１４の後端部の跳ね上げの発生状況を示す。なお、図７において、「○」は後端部の跳ね上げの未発生を示し、「×」は後端部の跳ね上げの発生を示す。

図７から、上記シリコーンスポンジ層５２ｃの軸方向中央部の最小厚さｔ１を基準に、両端部の最大厚さｔ２を厚くする比率を４０％以下にした場合、上記記録紙１４の後端部跳ね上げが発生せず、良好に定着処理が行えることが分かる。一方、上記比率を５０％にすると、記録紙１４の後端部の跳ね上げが発生した。

このことから、上記シリコーンスポンジ層５２ｃの軸方向中央部の厚さｔ１に対して、両端部の最大厚さｔ２が２０％〜４０％厚いと、記録紙１４にシワが発生しなく、かつ、後端部の跳ね上げが生じないことが分かる。

この傾向は、この実施形態の外径が１８ｍｍの芯金５２ａと、平均厚さが３ｍｍのシリコーンゴム層５２ｂと、平均厚さが３ｍｍのシリコーンスポンジ層５２ｃとの組み合わせからなる外径３０ｍｍの定着ローラ５２に限らず、プリンタ、複写機、ファクシミリ等に通常使用される定着装置の外径２０ｍｍ〜４０ｍｍの定着ローラについても見られた。

なお、上記シワの発生および後端部の跳ね上げの検討は、比率を、バラツキを少なくするため、１０％単位で変動させたものである。

この実施形態の定着装置５０では、定着ローラ５２の芯金５２ａの外周面がクラウン形状ではなくて、円筒形であるので、芯金５２ａの加工を簡単に精度高くでき、かつ、安価に加工でき、したがって、定着ローラ５２を安価に製造できる。ひいては、定着装置５０およびカラープリンタを安価に製造できる。

また、上記実施形態の定着装置５０では、定着ローラ５２の上弾性層であるシリコーンスポンジ層５２ｃは、外周面が円筒形であり、かつ、芯金５２ａの軸方向の中央部側から軸方向の両端部側に行くに従って厚くなり、かつ、シリコーンスポンジ層５２ｃの中央部の最小厚さｔ１に対し両端部の最大厚さｔ２が２０％〜４０％厚くなっており、かつ、シリコーンスポンジ層５２ｃの硬度が下弾性層であるシリコーンゴム層５２ｂの硬度よりも低いから、軸方向の両端部のニップ部の幅が中央部のニップ部の幅よりも適切な広さになって、記録紙１４のシワの発生を防止でき、かつ、記録紙１４の後端部の跳ね上げを防止して、良好な定着処理を行うことができる。

また、上記定着ローラ５２では、芯金５２ａとシリコーンスポンジ層５２ｃとの間に、シリコーンゴム層５２ｂが存在するので、シリコーンゴム層５２ｂによって、シリコーンスポンジ層５２ｃのひずみを緩和できて、定着ローラ５２の耐久性を向上できる。

また、上記シリコーンゴム層５２ｂの軸方向の中央部が厚く、両端部側に行くに従って薄くなる形状は、断面において、クラウン形状、楕円形状、頂点が滑らかな三角形等の種々の形状が可能である。また、上記シリコーンゴム層５２ｂの断面の輪郭曲線において変曲点を有していても良く、また、軸心と平行部分を有していてもよい。要は、シリコーンゴム層は、広義において、軸方向の中央部から両端部に行くに従って徐々に薄くなればよい。

また、上記実施形態では、シリコーンスポンジ層５２ｃの外周面は円筒形であるが、シリコーンスポンジ層の外径は、軸方向の中央部から軸方向の両端部に行くに従って大きくなる形状でもよい。

また、上記実施形態では、定着ローラ５２の下弾性層としてシリコーンゴム層５２ｂを用い、上弾性層としてシリコーンスポンジ層５２ｃを用いたが、これに限らず、上弾性層が下弾性層よりも硬度が低ければ、他の合成ゴム、弾性プラスティック等のエラストマーの組み合わせを用いてもよい。

また、上記実施形態では、定着ローラ５２を芯金５２ａの上に２層の硬軟の弾性層５２ｂ、５２ｃを設けたが、加圧ローラのみを、上記定着ローラ５２と同様に、２層の硬軟の弾性層を有するようにしてもよい。また、定着ローラと加圧ローラの両方とも、２層の硬軟の弾性層を有するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、定着装置５０は、定着ローラ５２と加圧ローラ５４との間に定着ベルト５３を配置したが、定着ローラと加圧ローラとが直接接触するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、画像形成装置の例としてカラープリンタについて説明したが、この発明はカラー複写機、モノクロ複写機、モノクロプリンタ、ファクシミリ等にも用いることができるのは勿論である。

５０ 定着装置
５２ 定着ローラ
５２ａ 芯金
５２ｂ シリコーンゴム層
５２ｃ シリコーンスポンジ層
５４ 加圧ローラ

Claims (4)

1. 定着ローラと、
   上記定着ローラと共にニップ部を形成する加圧ローラと
   を備え、
   上記定着ローラと上記加圧ローラとのうち少なくとも一方は、
   外形が円筒形の芯金と、
   上記芯金の外周に設けられると共に上記芯金の軸方向の両端部側から軸方向の中央部側に行くに従って厚くなる下弾性層と、
   上記下弾性層の周りに設けられると共に、上記芯金の軸方向の中央部側から軸方向の両端部側に行くに従って厚くなり、かつ、上記下弾性層の硬度よりも硬度が低い上弾性層と
   を有することを特徴とする定着装置。
2. 請求項１に記載の定着装置において、
   上記上弾性層は軸方向の中央部における最小厚さに対して両端部における最大厚さが２０％〜４０％厚いことを特徴とする定着装置。
3. 請求項１または２に記載の定着装置において、
   上記下弾性層はシリコーンゴム層であり、
   上記上弾性層はシリコーンスポンジ層であることを特徴とする定着装置。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の定着装置を備えることを特徴とする画像形成装置。

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