JP2011185978A - 像加熱装置、およびローラ部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加圧ローラの記録材の縁に接触する領域の離型層のよじれ量を減らして破れにくくした像加熱装置を提供する。
【解決手段】加圧ローラ２は、金属材料の回転体部材の一例である芯金２ａの外側にゴム材料の弾性層２ｂを介して樹脂材料の離型層２ｃが配置され、定着ローラ１に当接して記録材Ｐの加熱ニップ（Ｎ）を形成する。加圧ローラ２の芯金２ａの表面の一部に突起（２ｅ）を配置しているので、加圧ローラ２が記録材Ｐに接する外側では、記録材Ｐに接する領域よりも弾性層２ｂの回転方向の変形抵抗が高くなっている。
【選択図】図６

Description

本発明は、トナー画像を担持した記録材を加熱ニップで加熱処理する像加熱装置、詳しくは加圧部材の弾性層を覆う離型層の耐久性を高める構造に関する。

トナー画像を担持した記録材を加熱ニップで加熱処理する像加熱装置は、定着装置、光沢度調整装置として、電子写真方式の画像形成装置において広く用いられる。像加熱装置は、加熱部材（加熱ベルト又は加熱ローラ）に弾性層を有する加圧部材（加圧ローラ）を圧接して、記録材の加熱ニップを形成する。加熱部材は、加熱手段（ニクロムヒータ、ハロゲンランプヒータ、電磁加熱等）によって加熱されることにより、その表面温度を１５０〜１８０度程度に温度調整される。

特許文献１には、セラミックヒータと加圧ローラとの間に、加熱部材としての定着ベルトを配置した定着装置が示される。ここでは、金属材料の直径４ｍｍの回転体部材の外側に厚さ４ｍｍのシリコンゴム材料の弾性層を配置して加圧ローラを構成している。

一般的に、加圧ローラは加熱ローラよりも低温度であるためにトナーが付着し易い。加圧ローラにトナーが付着すると記録材の裏汚れが発生し易くなり、記録材との分離性が低下して記録材のジャムも発生し易くなる。このため、加圧ローラは、通常、金属材料の回転体部材の外側にゴム材料の弾性層を介して樹脂材料の離型層を配置している。

特許文献２には、弾性層の表面にフッ素樹脂材料の離型層を配置した加圧ローラが示される。加圧ローラの製造方法は、通常、金属材料の回転体部材を製作する第１工程と、回転体部材の外周に未硬化又は半硬化のゴム材料の弾性層を巻く第２工程と、回転体部材に巻かれた弾性層を硬化処理する第３工程とを有する。そして、接着剤を塗布した弾性層の表面に離型層のチューブを被せて接着固定している。

特許文献３には、回転体部材の外周面に軸方向の溝部を多数形成し、その上にゴム材料の弾性層を配置して表面全体を樹脂材料の離型層で覆った定着ローラが示される。

特開平６−２０２５０５号公報 特開２００５−２５００１２号公報 特開２００２−８２５５６号公報

特許文献２に示されるような定着装置で、同一サイズの記録材を高速で連続加熱処理すると、図４に示すように、加熱ローラには、記録材に接触して熱が奪われ続ける領域と記録材に接触しないために熱がたまる領域とが形成される。その結果、２つの領域間の温度差が拡大する。

このとき、加圧ローラの記録材に接触しない領域では、温度差によって、加圧ローラの記録材が通過する領域よりも弾性層が相対的に膨張して、加圧ローラの直径が大きくなる。同時に、加圧ローラの記録材に接触しない領域では、記録材が通過する領域よりも弾性層の温度が高くなってゴム材料が柔らかくなる。このため、図５に示すように、加圧ローラの記録材に接触しない領域では、回転方向の反対側へゴム材料が押し流されて大きく変形するようになる。その結果、加圧ローラの記録材の縁に接触する領域に隣接する外側（皺領域ＳＡ：図４）で離型層によじれが発生し、疲労が発生して破れ易くなる。

本発明は、加圧ローラの記録材に接触する領域の外側での離型層のよじれ量を減らして離型層の耐久性を高めた像加熱装置を提供することを目的としている。

本発明の像加熱装置は、トナー画像に接して回転可能な加熱部材と、前記加熱部材を加熱する加熱手段と、金属材料の回転体部材の外側にゴム材料の弾性層を介して樹脂材料の離型層が配置されるとともに前記加熱部材に当接して記録材の加熱ニップを形成する加圧部材とを備えるものである。そして、前記加圧部材が記録材に接する外側では記録材に接する領域よりも前記弾性層の回転方向の変形抵抗が高くなるように、前記回転体部材の表面に突起が配置されている。

本発明の像加熱装置では、加圧部材が記録材に接する外側では、弾性層に対して回転方向に作用する応力の一部を突起が分担するため、弾性層の回転方向の変形抵抗が記録材に接する領域よりも高い。このため、加圧部材が記録材に接する外側で、記録材に接する領域よりも回転方向に大きな力が作用しても、弾性層の回転方向の下流側へ向かう変形が抑制され、加圧ローラが記録材に接触する外側における離型層の応力集中が緩和される。加圧部材が記録材に接する領域とその外側の領域とにおける弾性層の回転方向の変形量の差が抑制される結果、表面の離型層のよじれ量が抑制される。

従って、加圧ローラの記録材の縁に接触する領域の離型層のよじれ量を減らして離型層の耐久性を高めることができる。

画像形成装置の構成の説明図である。 定着装置の断面構造の説明図である。 画像形成部側から見た現像装置のローラ配置の説明図である。 弾性層の熱膨張差の説明図である。 弾性層にかかる回転方向の力の説明図である。 実施例１の加圧ローラの構成の説明図である。 比較例１の加圧ローラの芯金の説明図である。 実施例１３の加圧ローラの芯金の説明図である。 実施例１４の加圧ローラの芯金の説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明は、加圧ローラの芯金の外周面に突起が形成されている限りにおいて、実施形態の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実施できる。

従って、加熱部材については、ベルト、フィルム、ローラの区別無く、また、加熱方式については、抵抗加熱、ランプヒータ、電磁加熱、その他の加熱方法の区別無く実施できる。像加熱装置は、トナー像を記録材に定着させる定着装置には限らす、画像表面の光沢度調整等を目的として、半定着トナー画像や定着済みトナー画像を加熱処理する用途でも利用できる。

また、本実施形態では、トナー像の形成に係る画像形成装置の主要部のみを説明するが、本発明は、必要な機器、装備、筐体構造を加えて、プリンタ、各種印刷機、複写機、ＦＡＸ、複合機等、種々の用途で実施できる。

なお、特許文献１〜３に示される像加熱装置の一般的な事項については、図示を省略して重複する説明を省略する。

＜画像形成装置＞
図１は画像形成装置の構成の説明図である。図１に示すように、画像形成装置１００は、感光ドラム１０１に形成したトナー像を記録材Ｐに直接転写するモノクロプリンタである。

画像形成部１００Ａは、感光ドラム１０１の周囲に、帯電装置１０２、露光装置１０３、現像装置１０４、転写ローラ１０５、ドラムクリーニング装置１０６を配置している。感光ドラム１０１は、アルミニウムシリンダの外周面に感光層が形成され、３００ｍｍ／ｓｅｃのプロセススピードで矢印Ｒ１方向に回転する。

帯電装置１０２は、帯電ローラを用いて感光ドラム１０１の表面を一様な負極性の電位に帯電させる。露光装置１０３は、入力画像を展開した走査線画像データをＯＮ−ＯＦＦ変調したレーザービームを回転ミラーで走査して、感光ドラム１０１の表面に画像の静電像を書き込む。現像装置１０４は、感光ドラム１０１に形成された静電像を一成分現像剤を用いてトナー像に現像する。

転写ローラ１０５は、感光ドラム１０１に当接して転写部Ｔ１を形成する。記録材カセット１１０ａに格納された記録材Ｐは、分離ローラ１１２ａで１枚ずつに分離してレジストローラ１１３へ送り出される。レジストローラ１１３は、感光ドラム１０１のトナー像にタイミングを合わせて転写部Ｔ１へ記録材Ｐを送り込む。

転写ローラ１０５へ正極性の直流電圧が印加されることにより、感光ドラム１０１に担持されたトナー像が記録材Ｐへ転写される。ドラムクリーニング装置１０６は、感光ドラム１０１にクリーニングブレードを摺擦させて、記録材Ｐへの転写を逃れて感光ドラム１０１に残った転写残トナーを回収する。

トナー像を転写された記録材Ｐは、感光ドラム１０１から曲率分離して定着装置１１４へ送り込まれ、定着装置１１４で加熱加圧を受けて表面にトナー像を熱定着された後に排出トレイ１１５へ排出される。

＜定着装置＞
図２は定着装置の断面構造の説明図である。図３は画像形成部側から見た現像装置のローラ配置の説明図である。

図２に示すように、定着装置１１４は、加熱ローラ１の内側に加熱手段の一例であるコイル・アセンブリ３を配置した電磁誘導加熱方式の定着装置である。定着装置１１４は、定着ローラ１と加圧ローラ２とを互いに所定の押圧力で圧接させて、搬送方向に所定のニップ長さの定着ニップ部Ｎを形成している。定着ローラ１が矢印Ａ方向に所定の周速度で回転する。加圧ローラ２は、定着ローラ１の回転駆動に従動して矢印Ｂ方向に回転する。

定着ローラ１は、中空（円筒状）の誘導発熱体である芯金（金属層、導電層）１ａの外周面に、フッ素樹脂をコーティングして耐熱性の離型層１ｂが形成されている。定着ローラ１は、外径φ５５ｍｍ、フッ素樹脂のコーティングの厚みは、３０μｍである。芯金１ａの材料は、鉄、ニッケル、ＳＵＳ４３０、鉄―ニッケル合金、鉄―ニッケル―クロム合金、ニッケル―コバルト合金等の磁性金属（導電体、磁性体）を採用できる。

加圧ローラ２は、芯金２ａの外回りを囲んで芯金２ａと同心一体に耐熱ゴム層であるシリコンゴムの弾性層２ｂをローラ状に形成した弾性ローラである。弾性層２ｂの外側は、ＰＦＡチューブ２ｃの離型層２ｃで覆われている。加圧ローラ２の各層の厚みは、芯金２ａがφ３０ｍｍ、弾性層１ｂのシリコンゴムの厚みは５ｍｍ、離型層１ｃのＰＦＡチューブの厚みは１００μｍ、したがって、外径は約４０ｍｍである。

定着ローラ１の内部には、高周波磁界を生じるコイル・アセンブリ３を挿入してある。コイル・アセンブリ３は、ボビン４、磁性材からなるコア５、誘導コイル６、絶縁部材のステー７等を一体に組み立てて構成される。ボビン４に形成した通孔にコア５を挿入し、ボビン４の周囲に銅線を巻回して誘導コイル６を形成している。ボビン４、コア５、誘導コイル６のユニットは、ボビン４とは別体に形成されたステー７に固定され、外部に露呈しないように定着ローラ１の内部に収納されている。ボビン４、ステー７、分離爪１３は、例えば液晶ポリマー、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイドなどの耐熱および電気絶縁性エンジニアリング・プラスチックから形成されている。

コア５は、透磁率が大きく自己損失の小さい材料がよく、例えばフェライト、パーマロイ、センダスト等が適している。ボビン４は、コア５と誘導コイル６とを絶縁する絶縁部としても機能している。誘導コイル６は、加熱の十分は交番磁束を発生するために、抵抗成分が低く、インダクタンス成分を高くとる必要がある。誘導コイル６の芯線には、φ０．１〜０．３の絶縁被覆電線の細線を略８０〜１６０本ほど束ねたリッツ線を用いて、コア５を周回するように、ボビン４の形状に合わせて横長舟型に複数回巻回して誘導コイルを形成している。誘導コイル６は、定着ローラ１の長手方向に巻かれている。

分離爪１３は、定着ニップ部Ｎを出た記録材Ｐが定着ローラ１に巻き付くのを抑え、定着ローラ１から分離させる役目をする。定着ローラクリーナ１４は、押し付けローラ１４ｄで定着ローラ１に押し付けたウエブ部分で、定着ローラ１に付着したトナーを拭って、定着ローラ面を清掃する。定着ローラ１に押し付けられるウエブ部分は、繰り出し軸部１４ｂ側から巻取り軸部１４ｃ側へ、ウエブ１４ａが少しずつ送られることで徐々に更新される。

サーモスタット１５は、定着ローラ温度の上昇時の安全機構として、定着ローラ１の上方に設けられている。サーモスタット１５は、定着ローラ１の表面に接触しており、予め設定された温度になると接点を開放して誘導コイル６への通電を切断し、定着ローラ１が所定温度以上となることを防止している。

図３に示すように、定着ローラ１の両端部は、奥側の側板２１に取り付けた軸受２３と手前側の側板２２に取り付けた軸受２３とによって回転可能に支持されている。加圧ローラ２は、定着ローラ１の下側に平行に配置され、芯金２ａの両端部は、側板２１に取り付けた軸受２６と側板２２に取り付けた軸受２６とによって回転自在に支持されている。加圧ローラ２は、定着ローラ１の下面に対して、不図示の付勢手段により、弾性層２ｂの弾性に抗して３０〜５０ｋｇの押圧力にて圧接させることにより、加熱部としての定着ニップ部Ｎを形成している。

２本の外方引出しリード線６ａ、６ｂは、誘導コイル６に対する電力供給線であり、ステー７の手前側の丸軸形状部７ａの中空部から外部に引き出されてコイル駆動電源１１６に接続されている。コイル駆動電源１１６は、高周波出力の周波数を可変制御する周波数可変制御部と定電流回路を含み、誘導コイル６に高周波電流と定電流を供給する。

定着ローラドライブギアＧは、定着ローラ１の手前側の端部に固着させてある。ドライブギアＧに駆動源Ｍから伝達系を介して回転力が伝達されることで、定着ローラ１が回転駆動され、定着ローラ１に加圧ローラ２が従動回転する。

定着装置１１４では、記録材Ｐの搬送が基準線Ｃを中心とする中央基準で行われるため、いかなる記録材サイズでも、記録材Ｐの中央部が定着ローラ軸方向中央部を通過する。定着装置１１４では、加熱処理できる最大サイズの記録材Ｐ１（大サイズ紙）は１３インチｘ１９インチである。また、加熱処理できる最小サイズの記録材（Ｐ３：図９）はハガキであるが、検討上、小サイズ紙として用いた記録材Ｐ２はＡ４サイズ（１１．７インチ×８．２３インチ）である。以下、Ａ４サイズを小サイズ紙と呼ぶ。図３中、Ｐ１は大サイズ紙の通紙領域幅、Ｐ２は小サイズ紙の通紙領域幅である。

第１のサーミスタ１１は、定着ローラ１の中央温度検知装置として、記録材Ｐ２の通紙領域の略中央部に対応する定着ローラ中央部分において、定着ローラ１の表面に接触させて配置してある。第２のサーミスタ１２は、定着ローラ１の端部温度検知装置として、記録材Ｐ１と記録材Ｐ２との差領域に対応する定着ローラ端部部分において、定着ローラ１の表面に接触させて配置してある。第１のサーミスタ１１と第２のサーミスタ１２の定着ローラ温度検知信号は、制御部１０８に入力する。

制御部１０８は、画像形成ジョブを受信すると、画像形成装置を起動させて所定の作像シーケンス制御をスタートさせる。制御部１０８は、駆動源Ｍを起動して定着ローラ１の回転を開始させる。定着ローラ１の回転に従動して加圧ローラ２も回転する。制御部１０８は、コイル駆動電源１１６を起動させて、図２に示すように、誘導コイル６に高周波電流（例えば１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ）を流す。これにより、誘導コイル６の周囲に高周波交番磁束が発生して、定着ローラ１が電磁誘導発熱して、所定の定着温度（１９５℃）に向かって昇温する。

定着ローラ１の昇温は、第１のサーミスタ１１および第２のサーミスタ１２で検知されて制御部１０８に入力される。制御部１０８は、第１のサーミスタ１１が検出する定着ローラ１の中央部温度が所定の定着温度（１９５℃）に立ち上がって、維持されるように、コイル駆動電源１１６から誘導コイル６に供給される電力を制御する。

この状態において、定着ニップ部Ｎに対して画像形成部（１００Ａ：図１）から未定着トナー像ｔを担持した記録材Ｐが導入されて、定着ニップ部Ｎを挟持搬送される。これにより、定着ローラ１の熱と定着ニップ部Ｎの加圧力とで、未定着トナー像ｔが記録材Ｐの面に加熱定着される。

＜非通紙領域昇温＞
定着装置の加熱源として高周波誘導を利用した誘導加熱方式が実用化されている。誘導加熱方式は、金属導体からなる中空の定着ローラの内部にコイルが同心状に配置され、コイルに高周波電流を流して生じた高周波磁界によって定着ローラの芯金層に誘導渦電流を発生させる。そして、定着ローラの芯金層の表皮抵抗によって誘導渦電流が芯金層そのものをジュール発熱させる。誘導加熱方式によれば、電気―熱変換効率が高いため、ウォームアップタイムの短縮や、省エネが可能となる。

誘導加熱方式では、定着ニップ部の長手方向における均一加熱される領域は、最大サイズの記録材の通紙幅に合わせて設定されるため、小サイズの記録材にトナーを定着する場合には、実際に必要な以上のエネルギーを消費することがある。そして、記録材が最大サイズではなく、小サイズの場合には、通紙域ではない領域に必要以上の電力が供給されて、異常昇温して定着ローラの弾性層や離型層が熱劣化することがある。

このような非通紙領域昇温の対策として、実施例１では、特開２０００−３９７９７号公報に示されるように、発熱体である磁性体金属層のキュリー温度を定着温度付近に調整することで発熱量を限界付ける方法を採用した。実施例１では、芯金１ａにキュリー温度を所望に調整した磁性合金材料を用いた。芯金１ａの厚さは、０．０５ｍｍ〜１．５ｍｍであり、芯金１ａのキュリー温度２０５℃は、記録材Ｐに対するトナー画像ｔの定着温度１９５℃よりも高く、誘導コイル６の耐熱温度２３０℃よりも低く設定されている。

定着ローラの温度立ち上げの際、誘導コイルはコイル駆動電源から定着ローラのキュリー温度に到達可能な固定電流値で通電される。定着ローラは、誘導コイルが発生する高周波交番磁束により加熱されたキュリー温度に達する。定着ローラ温度がキュリー温度に達すると、定着ローラの磁性が急激に低下することで、定着ローラの温度がキュリー温度以上には上がらない。つまり、定着ローラでは、キュリー温度に到達すると力率が低下し、これに伴い誘導コイルの消費電力が低下し、定着ローラは発熱を抑制する方向に働くので自己温度制御が可能となる。

記録材Ｐ２の場合、定着ニップ部Ｎにおける記録材Ｐ１の通紙領域幅と記録材Ｐ２の通紙領域幅との差領域が非通紙領域領域となる。記録材Ｐ２の像加熱が連続的に行われると、記録材Ｐ２の通紙領域幅に対応する定着ローラ部分の温度は所定の定着温度１９５℃に維持される。しかし、記録材Ｐ２の外側の非通紙領域領域に対応する定着ローラ温度は、定着ローラから供給される熱が記録材やトナー画像の加熱に消費されないので、所定の定着温度１９５℃を越えて昇温する。

しかし、第２のサーミスタ１２が検出する定着ローラ１の端部温度が所定の警戒温度（２３０℃）を超えることがないように、定着ローラ１の芯金層１ｂを形成する磁性材料のキュリー点を２３０℃に設定している。これにより、記録材Ｐ２の連続通紙時の場合に、定着ローラ１の端部温度が２３０℃に達すると、定着ローラ１の両端部における発熱量が自動的に下がって、定着ローラ１の全域が２３０℃以下に保たれる。

電磁誘導加熱の発熱量Ｐは、次式で示されるように、定着ローラの表皮抵抗Ｒｓに比例し、渦電流ｉの２乗に比例する。

表皮抵抗Ｒｓは、次式となる。

表皮深さδは、次式となる。

ρ：整磁合金の抵抗率 ［Ωｍ］
μ：室温における整磁合金の透磁率（Ｈ／ｍ）
ｆ：固定電流の周波数 ［Ｈｚ］
Ｎ：コイルのターン数
Ｉ：コイル電流 ［Ａ］

渦電流ｉは、誘導コイルが発生する磁界Ｈに比例し、磁界Ｈは、コイルのターン数Ｎとコイル電流Ｉに比例する。定着ローラ１がキュリー温度未満では、δ＜＜ｄ（ｄ：定着ローラの芯金肉厚）のため、発熱量Ｐは次式となる。

しかし、定着ローラ１がキュリー温度以上になると、δ＝ｄ（ｄ：定着ローラの芯金肉厚）となるため、発熱量Ｐは、次式のように一気に低下する。

定着ローラ１がキュリー温度以上になると、発熱量が周波数に依存せず、コイル電流Ｉにのみ比例するため、キュリー温度を越えた状態で、非通紙領域温度が耐熱温度２３０℃を越えないような電流固定値を定電流源で設定している。これにより、非通紙領域領域の発熱量を抑制して、本体筐体内の昇温や定着装置の構成部材の過熱を防止している。

また、定着ローラ１の非通紙領域領域がキュリー温度以上でも通紙領域領域はキュリー温度未満で温度調整されているので、周波数を変更することで表皮抵抗が変化して発熱量が変化するため、高周波電流を定電流化しても発熱量を制御可能である。

＜加圧ローラの非通紙領域昇温＞
図４は弾性層の熱膨張差の説明図である。図５は弾性層にかかる回転方向の力の説明図である。

図３に示すように、加熱部材の一例である定着ローラ１は、加熱手段の一例である誘導６に加熱され、記録材Ｐ１のトナー画像に接して回転可能である。加圧部材の一例である加圧ローラ２は、金属材料の回転体部材の一例である芯金２ａの外側にゴム材料の弾性層２ｂを介して樹脂材料の離型層２ｃが配置され、定着ローラ１に当接して記録材Ｐの加熱ニップ（Ｎ）を形成する。

加圧ローラ２は、記録材Ｐ２の連続通紙時には、通紙領域は、定着ローラ１からの熱が記録材Ｐによって遮られるために温度上昇が少ない。一方、加圧ローラ２に記録材Ｐが接しない非通紙領域は、定着ローラ１から直接熱が伝わるため高温になって、非通紙領域昇温が著しくなる。非通紙領域昇温が発生すると、昇温による弾性層２ｂの熱膨張によって様々な問題が発生する。加圧ローラ２の非通紙領域昇温の問題は、特開昭５９−０３３７８７号公報では、定着フィルムや記録材に皺が発生する問題に過ぎない。

しかし、非通紙領域昇温は、これらとは別な、新たな問題を発生することが判明した。加圧ローラ２が非通紙領域昇温すると、加圧ローラ２の表面の紙コバが接触する部分が大きく削れてしまったり、離型層２ｃのＰＦＡチューブが割れてしまったりする。

上述したように、定着装置１１４では、記録材Ｐ２の連続通紙時には、キュリー温度を利用した芯金１ａの自律調整機能によって定着ローラ１の両端部では発熱が自動的に抑制される。それでも、記録材Ｐによる除熱が及ばない定着ローラ１の両端部の非通紙領域は、中央部の通紙領域に比べて温度が高くなる。

このため、定着装置１１４において、記録材Ｐ２を数１００枚以上連続で流すと、定着ニップ部Ｎの非通紙領域昇温が起きる。このとき、加圧ローラ２では、両端部の非通紙領域と中央部の通紙領域との温度差はさらに大きい。例えば、定着ローラ１で中央部が１９５℃、非通紙領域が２１０℃になったとき、加圧ローラ２では、中央部が１１０℃、非通紙領域が１９０℃となった。

ここで、記録材Ｐとして、キヤノン株式会社製普通紙ＣＳ−６８０のＡ４サイズを、３０万枚通紙する連続画像形成の実験を行った。すると、図４に示すように、加圧ローラ２の表面の離型層２ｃの紙コバが接する皺領域ＳＡにおいて、離型層２ｃのＰＦＡチューブに皺やひび割れが発生した。離型層２ｃのＰＦＡチューブが局所的に削れて、弾性層２ｂのシリコンゴムが露出した。

本発明者が検討したところ、離型層２ｃが破損するメカニズムは、以下のようであることが分かった。図４は、加圧ローラ２に沿った方向の記録材Ｐの縁位置に発生するひび割れ、削れを模式的に表したイメージ図である。図４中、ひび割れ、削れを斜線で表している。

図４に示すように、加圧ローラ２の回転速度は、加圧ローラ２に記録材Ｐが接している部分の周速で決まっている。記録材Ｐが連続的に接触する中央部の通紙領域に比べて、両端部の非通紙領域は昇温して直径が熱膨張する。したがって、両端部の非通紙領域の表面は、熱膨張した分だけ長い距離が定着ローラ１との間をすり抜けなければならない。

図５に示すように、加圧ローラ２の両端部の非通紙領域の表面は、定着ローラ１と周速差を持って回転しており、周速差に伴う摩擦力によって、加圧ローラ２の非通紙領域の表面は、回転方向下流に強く捻られながら回転している。

このため、加圧ローラ２の非通紙領域と通紙領域の境界領域では、非通紙領域が後方へ遅れるように弾性層が捻れてしまい、弾性層２ｂの表面に接着された離型層２ｃのＰＦＡチューブも一緒に捻れてしまう。そして、捻られた離型層２ｃの表面に、記録材Ｐのエッジ部分が繰り返し接触することによって、離型層２ｃが早く削れて、傷んでしまうことが分かった。

以上のようなメカニズムであるため、加圧ローラ２の弾性層２ｂの捻れを抑制することで、離型層２ｃが早く削れて傷む問題に対策することができる。そこで、以下の実施例１〜１５では、弾性層２ｂであるシリコンゴム層の捻れを抑える構成を検討した。上記問題を解決し、定着ローラや加圧ローラなどの定着部材が非通紙領域昇温することによって発生する熱劣化などを防止した。

＜実施例１＞
図６は実施例１の加圧ローラの構成の説明図である。図６中、（ａ）は加圧ローラの断面図、（ｂ）は芯金の正面図である。

図６に示すように、実施例１では、ローラ部材の一例である加圧ローラ２の芯金２ａの表面の一部に突起の一例であるリブ２ｅを配置している。このため、加圧ローラ２が記録材Ｐに接する外側では、記録材Ｐに接する領域よりも、弾性層２ｂの回転方向の変形抵抗が高くなっている。具体的には、加圧ローラ２が記録材Ｐに接する外側の芯金２ａの表面領域では、加圧ローラ２が記録材Ｐに接する領域の芯金２ａの表面領域よりもリブ２ｅの配置密度が高い。

リブ２ｅは、加圧ローラ２に沿った方向の断面積が回転方向の断面積よりも大きい。これにより、弾性層の回転方向の変形をせき止める性能が高まる。

次に、ローラ部材の製造方法の一例を説明する。第１工程では、外周面に突起が形成された金属材料の回転体部材を製作した。Ａ３ノビサイズの記録材（４８３ｍｍ×３２９ｍｍ）Ｐ１に対応させた長さ３５０ｍｍ、直径φ３０ｍｍ、厚さ２ｍｍのステンレス製の中実棒材の芯金２ａの両端部に、厚さ１ｍｍ、長さ２０ｍｍ、高さ２ｍｍのリブを、周方向に１６本、等間隔で立てた。リブは、直径φ４０ｍｍの中実棒材から切削加工により削り出して形成した。

ただし、芯金２ａは、実際には、図２に示すように、定着装置の軽量化のために、中実棒材ではなく、円筒材料を用いている。リブは、製作コストの観点から言えば、別部材で作成してロウ付け等で固定することが望ましい。

第２工程では、回転体部材の外周に未硬化又は半硬化のゴム材料の弾性層を巻いて弾性層に突起を侵入させた。芯金２ａの周囲に厚さ５ｍｍのシリコンゴムの未硬化シートを一周巻いて端部を突き合わせて接着した。

第３工程では、回転体部材に巻かれた弾性層を硬化処理して芯金部材と一体化させた。円筒形の型に挿入して軸方向に加圧することで、弾性層の外周面を型の内周面に密着させて型で拘束した。この状態で、３００℃のオーブンで１２０分間の加熱処理を行うことによりシリコンゴムのゴム架橋を進めて硬化させた。硬化後、回転する加圧ローラの弾性層の表面を、研磨処理して円筒面の芯ずれを修正した。

第４工程では、加圧ローラの弾性層の表面にプライマ剤（接着層）を塗布して、厚さ１００μｍのＰＦＡチューブを被せ、その後、再び加熱処理を行って弾性層に一体化させた。

このようにして製作した加圧ローラ２を用いて、リブが無い場合と同様に、キヤノン株式会社製普通紙ＣＳ−６８０のＡ４サイズを用いて連続画像形成を行う耐久実験を行った。

その結果、リブが無い場合の３０万枚に比較して３３％増の４０万枚に達しても表面のＰＦＡチューブの離型層２ｃに皺もひび割れも観察されなかった。

＜比較例１＞
図７は比較例１の加圧ローラの芯金の説明図である。

図７に示すように、比較例１として、実施例１の１６本のリブを、厚さ１０７ｍｍの１本に変更した芯金２ａを用いて実施例１と同様な実験を行った。すなわち、長さ３４０ｍｍの中実棒材の端部から２０ｍｍの領域を直径３４ｍｍの円筒面に削り出し、中央の３００ｍｍの領域を直径φ３０ｍｍの円筒面に削り出した。

実施例１と同様に弾性層及び離型層を形成して加圧ローラ２を製作し、実施例１と同じ定着装置に装着して画像形成を行った。

すると、Ａ３ノビサイズの記録材の幅方向の両端部でのトナー像の定着性能が悪化してしまうという新たな課題が出てしまった。これは、弾性層のシリコンゴムの厚みが薄くなって厚み方向の変形量が不足し、搬送方向の定着ニップ部Ｎの長さが減少して、十分な熱量が記録材Ｐに伝わらなくなったためと考えられる。

従って、トナー像を定着する定着ニップ部Ｎの長さを両端部でも十分に確保するためには、加圧ローラ２を中心方向に押したときの弾性変形量がリブの無い場合に比較してあまり変化しないようなリブの形状及び配置が必要である。

そして、離型層の捻れを少なくするためには、弾性層の表面における回転方向の変形量が少なく抑えられ、ゴムの捻れが抑えられるようなリブの形状及び配置が必要である。

＜実施例２、３、比較例２〜４＞
図６に示すように、リブの長さ２０ｍｍ、リブの厚さ１ｍｍ、リブの本数１６本に固定して、リブの高さを０．５ｍｍ〜３ｍｍに変化させて実施例２、３、比較例２〜４の芯金を製作した。それぞれの芯金で実施例１と同様に加圧ローラを製作し、実施例１と同様に耐久実験を行って評価した。

表１に示すように、リブの高さ０．５ｍｍの比較例３では３０万枚で離型層のＰＦＡチューブに皺が形成され、リブが無い場合と大差の無い結果となった。これは、リブが低いとゴムの回転方向の変形をせき止められないためと考えられる。

リブの高さ２．５ｍｍ、３ｍｍでは、Ａ３ノビサイズの記録材に形成された定着画像にリブのゴーストが出てしまった。これは、リブが高すぎると、弾性層の厚みが不足してリブに起因するニップ圧力のムラが形成されるためと考えられる。

その後、追加の芯金の試作と同様な耐久実験を行った結果、シリコンゴムの弾性層の厚さ５ｍｍに対して、リブの高さが１ｍｍ以上２ｍｍ以下の場合に効果があることが確認された。

すなわち、リブの高さが、弾性層の２０〜４０％で定着画像に問題を発生せずに耐久性向上の効果が得られることが確認された。

＜実施例４〜６＞
図６に示すように、リブの厚さ１ｍｍ、リブの長さ３０ｍｍ、リブの本数１６本に固定して、リブの高さを１〜２ｍｍの三段階に変化させて、実施例４〜６の芯金を製作した。それぞれの芯金で実施例１と同様に加圧ローラを製作し、実施例１と同様に耐久実験を行って評価した。

表２に示すように、リブの長さが３０ｍｍの実施例４〜６でも、リブの長さが２０ｍｍの実施例１〜３と同様の好結果が得られた。

＜実施例７〜１２＞
図６に示すように、リブの厚さ１ｍｍ、リブの本数１２本に固定して、リブの長さを２０ｍｍ、３０ｍｍの二段階、リブの高さを１〜２ｍｍの三段階に変化させて、実施例７〜１２の芯金を製作した。それぞれの芯金で実施例１と同様に加圧ローラを製作し、実施例１と同様に耐久実験を行って評価した。

表３に示すように、リブの本数が１２本の実施例７〜１２でも、定着画像に問題を発生することなく、リブの本数が１６本の実施例１〜６と同様の耐久性向上の好結果が得られた。

＜比較例５〜１０＞
図６に示すように、リブの厚さ１ｍｍ、リブの本数８本に固定して、リブの長さを２０ｍｍ、３０ｍｍの二段階、リブの高さを０．５ｍｍ、２．５ｍｍ、３ｍｍの三段階に変化させて比較例５〜１０の芯金を製作した。それぞれの芯金で実施例１と同様に加圧ローラを製作し、実施例１と同様に耐久実験を行って評価した。リブの長さを３０ｍｍとする場合、リブ２ｅの配置密度が高い芯金２ａの表面領域は、加圧ローラ２が記録材Ｐの縁に接する領域を含む。

表４に示すように、リブの本数が８本の比較例では、３０万枚で離型層のＰＦＡチューブに皺が形成され、リブが無い場合と大差の無い結果となった。これは、直径３０ｍｍの芯金の外周１２０ｍｍに対してリブが８本では、弾性層の表面における回転方向の変形量が十分に抑えられず、ゴムの捻れが発生して離型層を疲労させたためと考えられる。

すなわち、リブの周方向の本数が、少な過ぎるとリブの効果が十分に発揮されない。実施例７〜１２のリブが１２本の実験結果を併せて考えると、定着ニップ７ｍｍのときのリブの本数としては、芯金表面で周方向のリブの間隔（回転方向にせき止めるゴムの長さ）を１０ｍｍ以下とする必要がある。

従って、リブの間隔は定着ニップ部Ｎの長さの１５０％以下とすることが望ましい。

しかし、リブの周方向の本数が多すぎて定着ニップ７ｍｍに対してリブの周方向の間隔が３ｍｍ間隔以下になると、比較例１と同様に、定着ニップ部Ｎの回転方向の長さに悪影響を及ぼして、Ａ３ノビサイズの記録材で端部の定着性に問題が発生する。

従って、芯金の周方向におけるリブの間隔は、定着ニップ部の搬送方向の長さの５０％以上を確保することが望ましい。

その後、追加の芯金の試作と同様な耐久実験を行った結果、芯金周方向のリブの密度が、１０〜７５％で好結果が得られることが判明した。

表１の結果と併せて考えると、リブ２ｅは、弾性層２ｂの厚みの２０％以上４０％以下の高さが好ましく、芯金表面の周長に占めるリブ２ｅの周方向の長さの合計が１０〜７５％が好ましい。

＜実施例１３＞
図８は実施例１３の加圧ローラの芯金の説明図である。図８中、（ａ）は加圧ローラの断面図、（ｂ）は芯金の正面図である。

図８に示すように、実施例１３における芯金は、実施例１〜１２のようなリブではなく、ピン形状に作製した。ピン２ｇは、ピアノ線で別途作製し、芯金２ａの円筒面のピン２ｇを植える位置に孔を明けてそれぞれ圧入した。突起の一例であるピン２ｇは、先端に向かうほど断面積が小さい。これにより、先端まで断面積が一定の場合よりも弾性層の圧縮の妨げになりにくい。

ピン２ｇの形成領域は、実施例１のリブ２ｅを形成した領域よりも内側へ拡張し、実施例４〜６に合わせた。実施例１と同様に加圧ローラ２を製作し、実施例１と同様に耐久実験を行って評価した。

このような実施例１３の加圧ローラ２についても、実施例１のリブの場合と同様に、定着画像に問題を発生することなく離型層の耐久性向上となる結果が得られた。

＜実施例１４＞
図９は実施例１４の加圧ローラの芯金の説明図である。図９中、（ａ）はハガキサイズ対応、（ｂ）は連続的な配置密度変化の説明図である。

図９の（ａ）に示すように、ハガキサイズの記録材Ｐ３に対応させてリブ２ｈを配置した。

図９の（ｂ）に示すように、ピン２ｇの配置部分と配置部分の外側との境界領域で応力集中を発生しないために、長手方向のピン配置密度を連続的に変化させた。すなわち、通紙領域と非通紙領域との間に温度差があっても、長手方向の広い領域で速度差を吸収することとすれば、応力集中による離型層２ｃの皺や疲労が軽減される。

＜実施例１５＞
画像形成装置における定着装置としての加熱装置は一般に、定着ローラ式（ヒートローラ式）など様々な方式が利用されている。そして、定着ニップ部の通紙域の外側領域が昇温する現象は、端部昇温や非通紙領域昇温と呼ばれ、誘導加熱方式だけでなく、ランプヒータ方式等でも発生する。実施例１〜１４では、誘導加熱方式の定着装置で実験を行ったが、その他の加熱方式の定着装置であっても、効果が得られることはいうまでもない。

定着ローラ式では、加熱源を内包した定着ローラと加熱源を持たない加圧ローラとでトナー像を担持した記録材を挟み、熱と圧力によってトナー像を定着する方式が一般的である。そして、非通紙領域昇温は、加圧ローラだけでなく、定着ローラについても発生する。実施例１〜１４では、弾性層を持つ加圧ローラについて説明を行ったが、弾性層を持つ定着ローラであっても、同様に効果が得られることは言うまでもない。

以上述べたように、実施例１〜１５の加圧ローラ２は、芯金２ａにゴム層が捻れることを防止する捻れ防止部材を備える。このため、弾性層を持つ加圧ローラが非通紙領域昇温して、膨張して捻れることによって発生する熱劣化などを防止することができる。非通紙領域昇温による離型層の劣化は、昇温によって、弾性層が熱膨張して、端部に周速差を生じて、捻れることによって、発生していたため、そのような劣化を防止できた。

実施例１〜１５の加圧ローラは、両端部の弾性層が下流側へ大きく変形して、中央部との間に捻れが発生することを少なくする効果がある。このため、加圧ローラの非通紙領域昇温による劣化を減少させることができる。

１ 定着ローラ、１ａ 離型層、１ｂ 芯金
２ 加圧ローラ、２ａ 芯金、２ｂ 弾性層、２ｃ 離型層
３ コイル・アセンブリ、４ ボビン、５ コア、６ 誘導コイル
７ ステー、１３ 分離爪、１５ サーモスタット、
１００ 画像形成装置、１０１ 感光ドラム、１０２ 帯電装置、１０３ 露光装置
１０４ 現像装置、１０５ 転写ローラ、１０６ ドラムクリーニング装置
１０７ 定着装置、１０８ 制御部、１１０ａ、１１０ｂ 記録材カセット
１１１ａ、１１１ｂ ピックアップローラ、１１２ａ、１１２ｂ 分離ローラ
１１３ レジストローラ、１１４ 定着装置、１１５ 排出トレイ

Claims (9)

1. トナー画像に接して回転可能な加熱部材と、前記加熱部材を加熱する加熱手段と、金属材料の回転体部材の外側にゴム材料の弾性層を介して樹脂材料の離型層が配置されるとともに前記加熱部材に当接して記録材の加熱ニップを形成する加圧部材とを備える像加熱装置において、
   前記加圧部材が記録材に接する外側では記録材に接する領域よりも前記弾性層の回転方向の変形抵抗が高くなるように、前記回転体部材の表面に突起が配置されていることを特徴とする像加熱装置。
2. 前記加圧部材が記録材に接する外側の前記回転体部材の表面領域では、前記加圧部材が記録材に接する領域の前記回転体部材の表面領域よりも前記突起の配置密度が高いことを特徴とする請求項１記載の像加熱装置。
3. 前記突起の配置密度が高い前記回転体部材の表面領域は、前記加圧部材が記録材の縁に接する領域を含むことを特徴とする請求項２記載の像加熱装置。
4. 前記突起は、前記加圧部材に沿った方向の断面積が回転方向の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項２又は３記載の像加熱装置。
5. 前記突起は、先端に向かうほど断面積が小さいことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の像加熱装置。
6. 前記突起の高さ及び周方向の長さと間隔は、加熱処理した画像に影響を及ぼすことなく前記離型層の疲労を軽減できるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の像加熱装置。
7. 前記突起の高さは、前記弾性層の厚みの２０％以上４０％以下であり、芯金表面の周長に占める前記突起の周方向の長さの合計は、１０〜７５％であることを特徴とする請求項６に記載の像加熱装置。
8. 外周面に突起が形成された金属材料の回転体部材を製作する第１工程と、
   前記回転体部材の外周に未硬化又は半硬化のゴム材料の弾性層を巻いて前記弾性層に前記突起を侵入させる第２工程と、
   前記回転体部材に巻かれた前記弾性層を硬化処理して前記回転体部材と一体化させる第３工程と、を有することを特徴とするローラ部材の製造方法。
9. 前記第３工程は、前記弾性層の外周面を型で拘束して軸方向に加圧しつつ加熱することを特徴とする請求項８に記載のローラ部材の製造方法。

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