JP2011075860A - 定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 加圧ローラを回転自在に支持する軸受けや、軸受けの外周側に設けた軸受け保持部材に、物流時に大きな衝撃が加わると、軸受けや軸受け保持部材が破損することがあった。
【解決手段】 軸受けや軸受け保持部材の外周端から加圧ローラの長手方向に伸びた壁部、壁部から加圧ローラの軸中心方向に伸びたリブを設けることで、側板と接する軸受けの外周面や軸受け保持部材の外周面に設けた嵌合溝側面に発生する曲げ応力を低減させ、嵌合溝隅部の応力集中を緩和することで、破損を防止する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、電子写真記録技術を用いた複写機やプリンタ、に搭載される定着装置に関する。

電子写真記録技術を用いた複写機やプリンタ等の画像形成装置に搭載される定着装置は、記録材上に形成した未定着トナー画像を記録材に定着する装置である。一般に、未定着トナー画像を担持する記録材を挟持搬送する定着ニップ部を、定着ローラやエンドレスベルトと、加圧ローラと、によって形成している。ところで、定着ニップ部に定着処理時に掛ける圧力を掛けたまま長時間プリントせずに放置すると加圧ローラのゴム層が変形してしまう。そこで、定着ニップ部に掛る圧力を解除する（或いは定着処理時の圧力よりも低減する）機構を有する装置がある。

加圧ローラの軸部は回転自在に支持されており、最も簡素な構成は、すべり軸受けで支持する構成である。すべり軸受けは摺動性能を有する樹脂で成形されていることが多い。樹脂のため、フレーム等他部品への断熱性能や絶縁性能も有している。そして、外周面にフランジを有する円筒形状またはＵ字形状に形成されている。フランジとフランジ又は突起で形成される嵌合部（溝）で側板に形成される被嵌合部を挟むことで両スラスト方向の抜け止めを行い、側板に保持されている。加圧ローラの軸には段が設けられており、段の側面をすべり軸受けの側面で規制することで、加圧ローラのスラスト方向の抜け止めを行っている。

その他、ボールベアリングを用いて加圧ローラ軸部を回転自在に支持している定着器が存在している。ボールベアリングによる加圧ローラの支持構成は様々存在しており、特許文献１のようにボールベアリングを側板に嵌め込み、加圧ローラを支持している構成がある。その他、加圧ローラの断熱性能・絶縁性能を確保するために、ボールベアリングが樹脂ホルダに保持された構成がある。樹脂ホルダは、外周面にフランジを有する円筒形状またはＵ字形状に形成されている。そして、フランジとフランジ又は突起で形成される嵌合溝で側板に形成される被嵌合部を挟むことで両軸方向の抜け止めを行い、側板に保持されている。また、ボールベアリングのスラスト方向を規制する手段としては、フランジや止め輪が無いボールベアリングの外側面を突き当てる構成（従来構成１、図１１）、ボールベアリングに設けたフランジや止め輪で突き当てる構成（従来構成２、図１２）等が存在している。

特開平２００５−２１５０７０号公報

定着手段を離間する機構を有する定着装置では、離間状態で製品出荷するのが一般的である。離間時は加圧力が低減しているので、加圧ローラ１０２とフィルムユニットとの摩擦力が低下し、加圧ローラ１０２のスラスト方向の規制力は、非常に小さくなる。そのため、スラスト方向に衝撃が加わると、加圧ローラ１０２の自重による衝撃力が全て加圧ローラ１０２の軸受け部にかかる。また昨今、物流コストの低減・環境負荷の低減を図るために、画像形成装置の梱包材の厚みを薄くし、容積ダウンを図る傾向にある。そのため、物流落下時に発生する衝撃力は今まで以上に大きくなってきている。

そのため、なんらかの事情で、非常に大きな物流時の落下の衝撃が加わった場合、従来の構成のままでは、加圧ローラ１０２の軸受け部が破損する可能性が出てきた。

前記破損や変形に関する説明を行っていく。なお、ここでは加圧ローラ１０２の軸部を回転自在に支持するのに、ボールベアリングを保持する樹脂のホルダ１１１を有した構成で説明をおこなう。すべり軸受けで加圧ローラ軸部を回転自在に支持する構成においても、側板１１２による保持構成が同じ場合同様のことが言えるため、ここでの説明は割愛する。

図１１に示すように、ホルダ１１１で最も破損が発生しやすい場所は、嵌合溝１１１ａ根元の隅部Ａである。加圧ローラ１０２の自重による衝撃力Ｐの反力Ｐ’が側板１１２と接触している面１１１ｄに加わり曲げ応力が発生すると、隅部Ａに応力が集中するため破断に至ることがあった。応力集中による隅部Ａからの破断を防止するために、図１２に示すような、止め輪付きボールベアリングを使用する定着装置が存在している。加圧ローラ１０２からの衝撃力が、ボールベアリングの止め輪から、ホルダ１１１の外側面にかかる構成である。止め輪が側板１１２に形成される被嵌合部と寸法Ｂの領域でオーバーラップしているため、面１１１ｄにかかる応力はせん断応力が支配的となる。そのため、隅部Ａに曲げ応力による応力集中が発生することが無く、破断に非常に強い構成となっている。加圧ローラ１０２の熱膨張や周辺部品のばらつきを考慮して、加圧ローラ１０２のスラストガタは比較的大きく設けることが一般的である。止め輪付きボールベアリングは、保持部の幅（Ｃ）が小さい。そのため、止め輪付きボールベアリングを用いた構成の場合、図１３に示すように、ボールベアリングがスラスト方向で側板１１２から寸法Ｄだけ外れて保持されてしまう可能性があった。ボールベアリングが側板１１２から外れて保持された状態で加圧力Ｆがラジアル方向に加わった場合、強度のある側板１１２で加圧力を受けていないためホルダ１１１に曲げ応力が発生し、ホルダ１１１が変形したり、破損したりする懸念があった。ラジアル方向に加わる加圧力Ｆによるホルダ１１１の変形や破損を防止すべく、ボールベアリングがスラスト方向で側板１１２から外れて保持されないようにするために関連部品の寸法公差を厳しく設定していたが、コスト高の構成となっていた。また、ボールベアリングに止め輪（フランジも含む）を設けること自体が、部品コストアップや加工コストアップの要因となってしまっていた。

本発明は、従来技術における上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、物流時等の衝撃による樹脂のすべり軸受けやホルダ１１１の破損を防止することである。また、ボールベアリングを保持する樹脂のホルダ１１１を有した構成において、ボールベアリングがスラスト方向で側板１１２から外れて保持され、ラジアル方向にかかる加圧力を側板１１２で受けないことによるホルダ１１１の変形や破損防止を、低コストや簡素な構成で実現することである。

上述の課題を解決するための本発明は、未定着画像を担持する記録材を挟持搬送する定着ニップ部を形成するためのローラと、装置フレームと、前記装置フレームの被嵌合部に対して嵌合溝を合わせて差し込むことにより前記装置フレームに取り付けられており前記ローラの軸を保持するホルダと、を有する定着装置において、前記ホルダは、前記嵌合溝を形成するフランジ部から前記ローラの軸方向へ伸びた壁部と、前記壁部から前記ローラの軸に対して垂直な方向へ伸びたリブ部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、フランジ部に発生する曲げ応力を低減させることで、フランジ部の根元隅部の応力集中を緩和し、ホルダが破損するのを抑制できる。

実施例１の定着装置の断面図 実施例１の定着装置１００の当接ポジションの説明図 実施例１の定着装置１００の離間ポジションの説明図 実施例１の加圧ローラ１０２の保持構成の説明図 実施例１の加圧ローラ１０２の保持構成のＸ方向の断面図 実施例１の面１１１ｄにかかる曲げ応力計算用の説明図 実施例１の衝撃試験の結果の説明図 実施例２の加圧ローラ１０２の保持構成の説明図 実施例２の加圧ローラ１０２の保持構成のＸ方向の断面図 実施例２の面１１３ｂにかかる曲げ応力計算用の説明図 従来構成１の加圧ローラ１０２軸部の保持構成のＸ方向の断面図 従来構成２の加圧ローラ１０２軸部の保持構成のＸ方向の断面図（１） 従来構成２の加圧ローラ１０２軸部の保持構成のＸ方向の断面図（２） 従来構成１の面１１１ｄにかかる曲げ応力計算用の説明図 実施例１の簡易モデルにおける壁１１１ｂの有効高さの説明図

（実施例１）
本実施例の定着装置１００の詳細な構成を図１、図２、図３に基づいて説明する。図１は定着装置１００の縦断面図、図２は定着装置１００の当接ポジション（定着処理時のポジション）の説明図、図３は定着装置１００の離間ポジション説明図である。

図１に示すように、定着装置１００において、１０１は加熱ユニット、１０２は加圧回転体としての加圧ローラである。本実施例ではこの加圧ローラ１０２が未定着画像を担持する記録材を挟持搬送する定着ニップ部を形成するためのローラである。加熱ユニット１０１は、加熱手段としてのヒータ１０３を有する。このヒータ１０３は支持部材としてのヒータホルダ１０４に支持されている。ヒータホルダ１０４は液晶ポリマー等の、耐熱性と摺動性を具備した耐熱性樹脂により、断面略半円形樋型に形成されている。ヒータホルダ１０４には、加熱回転体としてのスリーブ状の定着スリーブ（エンドレスベルト）１０５が外装されている。図２に示すように、定着スリーブ１０５の両端部は一対のスリーブフランジ１０６の外周に回転可能に保持されている。また、ヒータホルダ１０４の両端部もスリーブフランジ１０６に保持されている。ヒータホルダ１０４に支持されたヒータ１０３と対向させるように定着スリーブ１０５に加圧ローラ１０２を所定の加圧力Ｆをもって圧接させている。この加圧力Ｆは、加圧バネ１０７が離間板１０８を押圧、離間板１０８がスリーブフランジ１０６を押圧することで得られる。加圧力Ｆによって定着スリーブ１０５と加圧ローラ１０２との間に定着ニップ部Ｎを形成している。このように、本実施例の定着装置は、エンドレスベルト１０５と、エンドレスベルト１０５の内面に接触するヒータ１０３と、加圧ローラ１０２と、を有し、定着ニップ部Ｎはエンドレスベルト１０５を介してヒータ１０３と加圧ローラ１０２によって形成されている。

本定着器における当接ポジション（定着処理時の圧力が掛るポジション）、離間ポジションの切り替えは、カム１０９を回転させて、離間板１０８を動作させることで行う。当接時、カム１０９と離間板１０８は接触していない（図２）。図３に示すように、電源ＯＦＦ時やＪＡＭ発生時には、カム駆動モータ（不図示）によって、カム１０９を１８０°回転させる。この回転動作によって、離間板１０８は、穴１０８ａを回転中心として図３の左方向に持ち上がる。この時、スリーブフランジ１０６も同方向に持ち上がり、定着ニップ部Ｎを離間している。

次に、加圧ローラ１０２の保持構成を図５に基づいて説明する。加圧ローラ１０２は、金属（アルミや鋼）の芯金１０２ａと、芯金１０２ａの外側に弾性層と、弾性層の表面を被覆する離型層とを有する。弾性層はシリコーンゴム等で形成されたソリッドゴム層、あるいは断熱効果を持たせるためシリコーンゴムを発泡させ形成されたスポンジゴム層等が用いられる。離型層はＰＦＡ等のフッ素系樹脂で、チューブを被覆させたものである。加圧ローラ１０２の芯金１０２ａは、ボールベアリング（軸受部材）１１０によって回転自在に支持されている。そして、加圧ローラ１０２の断熱性能・絶縁性能を確保するために、ボールベアリング１１０は樹脂製のホルダ１１１で保持されている。ホルダ１１１はＵ字形状に形成されており、外周面に嵌合溝１１１ａを有している。そして、嵌合溝１１１ａを側板（装置フレーム）１１２に形成される被嵌合部１１２ａに挟むことで、側板１１２に支持されている。即ち、ホルダ１１１は、装置フレーム１１２の被嵌合部１１２ａに対して嵌合溝１１１ａを合わせて差し込むことにより装置フレーム１１２に取り付けられておりローラ１０２の軸を保持している。本実施例の場合、ホルダ１１１はローラ１０２の軸を回転可能に保持する軸受部材１１０を介してローラ１０２を保持している。

次に、加圧ローラ１０２保持部のスラスト方向の関係を図５に基づいて説明する。ホルダ１１１には、ホルダ１１１の外周端から加圧ローラ１０２の長手方向に伸びた壁部１１１ｂ、壁部１１１ｂから加圧ローラ１０２の軸中心方向に伸びたリブ部１１１ｃを設けている。このように、ホルダ１１１は、嵌合溝１１１ａを形成するフランジ部１１１ｄからローラ１０２の軸方向へ伸びた壁部１１１ｂと、壁部１１１ｂからローラの軸に対して垂直な方向へ伸びたリブ部１１１ｃとを有する。そして、ボールベアリング１１０のスラスト両方向の抜け止めをホルダ１１１で行っている。側板１１２からリブ１１１ｃまでの寸法Ｅ１と、ボールベアリング１１０の幅Ｅ２の関係を、Ｅ１＜Ｅ２にすることで、ボールベアリング１１０がスラスト方向で側板１１２から外れて保持されることを防止している。また、加圧ローラ１０２は芯金１０２ａに設けられた段１０２ｂとボールベアリング１１０によって、ホルダ１１１は嵌合溝１１１ａを側板１１２に挟むことでスラスト両方向の抜け止めを行っている。図５左方向へ荷重Ｐを加圧ローラ１０２に加えた場合、荷重Ｐは段１０２ｂからボールベアリング１１０、ボールベアリング１１０からホルダ１１１にかかっていき、最終的には反力Ｐ’がホルダ１１１と側板１１２が接触している面（フランジ部）１１１ｄに等分布に掛っていく。

次に、面１１１ｄに発生する曲げ応力を、図６、図１５に示す簡易モデルを用いて算出する。ホルダ１１１は円弧形状をしており、応力計算が非常に困難なため、真直ぐな単純梁と仮定した簡易モデルで曲げ応力を計算する。曲げ応力は、下記の計算式で求めることができる。
σ＝Ｍ／Ｚ
＝（Ｌ×Ｐ’）／｛（ｂ×ｈ＾３／１２）／（ｈ／２）｝
σ［ＭＰａ］：曲げ応力
Ｍ［Ｎ・ｍｍ］：曲げモーメント
Ｚ［ｍｍ＾３］：断面係数
Ｌ［ｍｍ］：隅部Ａから面１１１ｄの中央までの距離
ｂ［ｍｍ］：幅
ｈ［ｍｍ］：高さ
幅ｂとは、真直ぐな単純梁と仮定した簡易モデルの幅であり、図６の奥行き方向の寸法に相当する。今回はｂ＝３として計算を行っているが、その値に限らなくてもよい。本実施例の構成において、実際はリブ１１１ｃは円弧状に構成されているため、壁１１１ｂは図１５（ａ）に示す斜線ハッチング部によって支えられているとみなすことができる。そのため、有効高さｈ１（＝ｈ）を有する片持梁とみなして計算を行っている。そして、荷重はＰ＝３４３Ｎとしている。図６に示すように、本実施例の構成においては、ｈ＝４．９、Ｌ＝０．７である。反力Ｐ’＝３４３Ｎが面１１１ｄに加わった時、Ｚ＝１２［ｍｍ＾３］、Ｍ＝２４０．１［Ｎ・ｍｍ］となるので、σ＝２０［ＭＰａ］となる。

この値を従来構成１と比較する。図１４に示すように、従来構成１の場合、ｈ＝１．７、Ｌ＝０．７なので、Ｚ＝１．４５［ｍｍ＾３］となり、σ＝１６６．１６［ＭＰａ］となる。つまり、本実施例の構成の場合、面１１１ｄに発生する曲げ応力が約１／８程度に低減されていることがわかる。

前述の通り、本実施例の構成の場合、有効高さｈ１を有する片持梁とみなすことができる。それに対して、リブ１１１ｃが無かった場合、壁１１１ｂは図１５（ｂ）に示す斜線ハッチング部だけで支えられていることになり、有効高さｈ２しか有さない片持梁とみなされる。つまり、リブ１１１ｃが無いと、壁１１１ｂの高さｈ自体は変わらないが、有効高さｈ２が有効高さｈ１よりも小さくなるため、面１１１ｄに発生する曲げ応力が大きくなってしまう。以上から、リブ１１１ｃは、ボールベアリング１１０がスラスト方向で側板１１２から外れて保持されることを防止する機能と、面１１１ｄに発生する曲げ応力を低減させる機能をあわせ持っていることがわかる。

次に、従来構成１と本実施例のホルダ１１１を用いて、衝撃試験装置ＡＳＱ−５００（吉田精機株式会社製）にて衝撃試験を行った結果を図７に示す。具体的には、衝撃台上に加圧ローラ１０２のスラスト方向に衝撃が加わる向きに試供用定着装置をセットし、ＪＩＳ Ｚ ０１１９に基づいて試験を行う。また、ホルダ１１１の材料はガラス入りＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、加圧ローラ１０２の重量は５．３Ｎである。従来構成１のホルダ１１１は、７０Ｇで嵌合溝１１１ａの隅部Ａ（図１４参照）から亀裂が入り破損に至った。それに対して本実施例のホルダ１１１の場合、１５０Ｇでも隅部Ａに亀裂は入らず破損することは無かった。物流時に１５０Ｇもの衝撃が加わることは、実製品においては非現実的であり、本発明の構成のホルダ１１１は、現実的に想定される物流時の衝撃に対して十分な強度を有していることがわかる。

以下に実施例の効果について説明する。面１１１ｄに発生する曲げ応力を低減させることで、嵌合溝１１１ａの隅部Ａの応力集中を緩和し、物流時等に大きな衝撃が加わった場合においても、ホルダ１１１の破損を防止することが可能である。また、ボールベアリング１１０のスラスト両方向の抜け止めをホルダ１１１でおこない、ボールベアリング１１０がスラスト方向で側板１１２から外れて保持されることを防止し、ラジアル方向にかかる加圧力を側板１１２で確実に受けることで、低コストで簡素な構成でホルダ１１１の変形や破損を防止することが可能である。ホルダ１１１をＵ字形状にして、ボールベアリング１１０を取り付けた加圧ローラ１０２を、ホルダ１１１に乗せる動作で組み立て出来るため、組立作業や分解作業を簡便にすることが可能である。ホルダ１１１が樹脂の場合、断熱性能を有するため、簡素な構成で安定した定着性能を得ることが可能である。

（実施例２）
次に実施例２を説明する。実施例１の定着装置との違いは、装置フレームの被嵌合部に対して嵌合溝を合わせて差し込むことにより装置フレームに取り付けられておりローラの軸を保持するホルダが、軸受部材を介さずにローラの軸を直接保持している点である。

図８に示すように、本実施例における定着装置１００において、加圧ローラ１０２は芯金１０２ａ部をすべり軸受け（本実施例におけるホルダ）１１３で保持され、すべり軸受け１１３はＵ字形状に形成されており、外側面に嵌合溝１１３ａを有している。すべり軸受け１１３は、嵌合溝１１３ａを側板１１２に形成される被嵌合部１１２ａに挟むことで側板１１２に支持され、スラスト両方向の抜け止めを行っている。また、図９に示すように、加圧ローラ１０２の芯金１０２ａは同一径の通し軸である。そして、芯金１０２ａの端面をすべり軸受け１１３で受けることで、加圧ローラ１０２はスラスト規制されている。図９の左方向へ荷重Ｐを加圧ローラ１０２に加えた場合、荷重Ｐは心金１０２ａからすべり軸受け１１３にかかり、反力Ｐ’がすべり軸受け１１３と側板１１２が接触している面１１３ｂに等分布にかかっていく。

本実施例における応力計算を、実施例１と同様に行っていく。荷重Ｐは実施例１と同じ値（Ｐ＝３４３Ｎ）とする。幅ｂも実施例１と同じ値（ｂ＝３ｍｍ）とする。図１０に示すように、本実施例の構成においては、ｈ＝４．９、Ｌ＝０．７である。反力Ｐ’＝３４３Ｎが面１１３ｂに加わった時、Ｚ＝１２［ｍｍ＾３］、Ｍ＝２４０．１［Ｎ・ｍｍ］となるので、σ＝２０［ＭＰａ］となる。実施例１で示した従来構成１と比較してみると、本実施例の場合、面１１３ｂに発生する曲げ応力が約１／８程度になっている。つまり、すべり軸受け１１３の形状をホルダ１１１と同様の形状にすることで、加圧ローラ１０２の保持構成がすべり軸受け構成の場合においても、曲げ応力の低減効果が得られることがわかる。

以下に実施例の効果について説明する。本実施形態によれば、加圧ローラ１０２の支持部材に、すべり軸受けを用いた構成においても、面１１３ｂに発生する曲げ応力を低減させることで、嵌合溝１１３ａの隅部Ａの応力集中を緩和し、物流時等に大きな衝撃が加わった時に、すべり軸受け１１３の破損を防止することが可能である。また、芯金１０２ａを同一径の通し軸としているため、段加工をする必要が無く端部カットのみなので、加圧ローラ１０２のコストを大きく下げることが可能である。

１００ 定着装置
１０１ 加熱ユニット
１０２ 加圧ローラ
１０３ ヒータ
１０４ ヒータホルダ
１０５ 定着スリーブ
１０６ スリーブフランジ
１０７ 加圧バネ
１０８ 離間板
１０９ カム
１１０ ボールベアリング
１１１ ホルダ
１１２ 側板
１１３ すべり軸受け

Claims (4)

1. 未定着画像を担持する記録材を挟持搬送する定着ニップ部を形成するためのローラと、装置フレームと、前記装置フレームの被嵌合部に対して嵌合溝を合わせて差し込むことにより前記装置フレームに取り付けられており前記ローラの軸を保持するホルダと、を有する定着装置において、
   前記ホルダは、前記嵌合溝を形成するフランジ部から前記ローラの軸方向へ伸びた壁部と、前記壁部から前記ローラの軸に対して垂直な方向へ伸びたリブ部とを有することを特徴とする定着装置。
2. 前記ホルダは前記ローラの軸を直接保持していることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記ホルダは前記ローラの軸を回転可能に保持する軸受部材を介して前記ローラを保持していることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
4. 前記装置は更に、エンドレスベルトと、前記エンドレスベルトの内面に接触するヒータと、を有し、前記定着ニップ部は前記エンドレスベルトを介して前記ヒータと前記ローラによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。

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