JP2015001692A - 加圧ローラ、定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】定着装置において非通紙部昇温を抑制する加圧ローラを提供する。【解決手段】加圧ローラ２０は、弾性層２０ｂに針状のフィラー２０ｄが添加されており、弾性層２０ｂの厚み方向にフィラー２０ｄが配向されている。厚み方向の熱伝導率が周方向および軸方向の熱伝導率よりも大きい異方性を持つようにした。これにより、フィラー２０ｄ添加による加圧ローラ硬度の上昇を押さえつつ非通紙部昇温対策効果を向上させることができる。【選択図】図３

Description

本発明は、定着部材と弾性層を有する加圧ローラとで形成されるニップ部で画像を担持した記録材を挟持搬送しつつ加熱する定着装置に用いられる加圧ローラに関する。また、その加圧ローラを用いた定着装置及び画像形成装置に関する。

従来、記録材（用紙）上に形成された未定着画像を加熱する定着装置として、フィルム加熱方式の定着装置が提案されている。この定着装置は、ローラ定着装置に比べて定着部材の熱容量が小さいため、クイックスタート性、省エネ性に優れている。

特許文献１で提案されている加圧ローラは、ゴムの中に炭素繊維のフィラーが含有され熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上となっており、非通紙部昇温が軽減される定着装置を提供している。

特開２００５−２７３７７１号公報

特許文献１では加圧ローラのゴムにフィラーを入れて熱伝導率を上げることで非通紙部昇温対策を行っている。ゴムの熱伝導率が上がると、芯金への熱伝導が増すことで昇温を防ぐという対策である。

より高速なプリントを行う画像形成装置においては、非通紙部の発熱量も高速化に伴って大きくなり、昇温が大きくなる。この場合、加圧ローラのゴムへのフィラー添加を増やし、熱伝導率を更に上げる対策が考えらえる。しかし、フィラー量を増やすと加圧ローラ硬度が上がってしまい十分なニップ幅を確保することが難しくなる。したがって、フィラー増量による熱伝導率アップでは非通紙部昇温対策として限界がある。

本発明は上記の従来技術を更に発展させたものである。その目的とするところは、フィラー添加による加圧ローラ硬度の上昇を押さえつつ非通紙部昇温対策効果を向上させることを可能にした加圧ローラを提供するものである。また、その加圧ローラを用いた定着装置及び画像形成装置を提供するものである。

上記の目的を達成するための本発明に係る加圧ローラの代表的な構成は、定着部材と弾性層を有する加圧ローラとで形成されるニップ部で画像を担持した記録材を挟持搬送しつつ加熱する定着装置に用いられる前記加圧ローラであって、前記弾性層は、フィラーが添加されており、厚み方向の熱伝導率が周方向および軸方向の熱伝導率よりも大きい異方性を持つことを特徴とする。

本発明の加圧ローラによれば、フィラー添加による加圧ローラ硬度の上昇を押さえつつ非通紙部昇温対策効果を向上させることが可能である。

実施例１における定着装置の要部の横断面模式図 実施例１における画像形成装置の要部の模式図 加圧ローラの構成説明図 弾性層の厚み方向にフィラーを配向させた加圧ローラの製造要領の説明図 本発明に係る加圧ローラと比較例に係る加圧ローラの各種の仕様を示した図 加圧ローラの熱伝導率について、横軸を厚み方向、縦軸を周方向＝軸方向と取り、非通紙部昇温のピーク温度をプロットした図 本発明に係る加圧ローラと比較例に係る加圧ローラの弾性層厚み方向の熱伝導率と製品硬度の関係を示した図 実施例２における各種構成の定着装置の概略断面図

［実施例１］
（１）画像形成部
図２は画像形成装置の一例の要部の模式図である。この画像形成装置は、電子写真式のレーザープリンタである。プリント信号を入力すると、像担持体としてのドラム型の電子写真感光体（以下、ドラムと記す）Ｄが矢印方向に所定の周速度で回転する。そのドラムＤの周面が帯電ローラ１によって所定の極性・電位に一様に帯電され、帯電面に対してレーザースキャナ２により画像情報に対応して変調されたレーザー光Ｌによる走査露光がなされる。これによりドラム面に画像情報に応じた静電潜像が形成される。その静電潜像が現像装置３によりトナー像（現像剤像）として現像される。

一方、記録材（以下、用紙と記す）Ｓは給紙カセット４から給紙ローラ５によって1枚ずつ繰り出されレジストローラ６へと送られる。レジストローラ６はその用紙ＳをドラムＤと転写ローラ７との当接部である転写ニップ部に所定のタイミングで送り出す。用紙Ｓは転写ニップ部で挟持搬送され、その搬送過程においてドラムＤ側のトナー像が用紙Ｓ上に転写される。

転写ニップ部を出た用紙ＳはドラムＤから分離されて定着装置Ａへと搬送され、トナー像が熱と圧力で固着像として用紙Ｓに定着される。定着装置Ａを出た用紙Ｓは画像形成物として排出トレイ８へ排紙される。用紙分離後のドラムＤは転写残トナーがクリーニング装置９により除去されて清掃され、繰り返して画像形成に供される。

（２）定着装置Ａ
図１は本実施例における定着装置Ａの要部の横断面模式図である。この定着装置Ａはフィルム加熱方式のオンデマンド定着装置であり、用紙搬送路面内において用紙Ｓの搬送方向Ｘに直交する方向に平行な方向を長手方向（図面に垂直な方向）とする横長の装置である。この定着装置Ａは、大別して、定着部材としてのフィルムアセンブリ１０と、加圧部材としての加圧ローラ２０と、を有する。

アセンブリ１０は、エンドレス形状（無端状）の定着フィルム（薄肉回転体：以下、ベルトと記す）１３を有する。また、そのベルト１３の内側に配設されたバックアップ部材としてのヒーター１１及びヒーターホルダ１２、並びに補強ステイ（Ｔステイ）１７を有する。ベルト１３は、ヒーター１１、ホルダ１２、ステイ１７の組立体に対してルーズに外嵌されている。

ベルト１３は、円筒状の基材の外周面に弾性層と表層を順に積層した、全体的に可撓性を有する薄肉の複合層部材である。本実施例においては、基材は内径φ２４、厚さ４０μｍ、の円筒状のＳＵＳスリーブである。弾性層は厚さ３００μｍのリコーンゴム層である。表層は厚さ２０μｍのＰＦＡチューブである。

ヒーター１１は、アルミナ基板に銀パラジウムをスクリーン印刷したセラミックヒーターである。アルミナ基板は１ｍｍの厚みであり、幅は８ｍｍである。抵抗発熱体の上には、耐圧ガラス層が６０μｍあり絶縁性を有している。抵抗値は１０Ωとし、１００Ｖの電圧が印加された際、定格で１０００Ｗの電力が投入される。

ヒーターホルダ１２は横断面ほぼ半円弧状の樋型部材であり、耐熱性の高い液晶ポリマーで作られている。本実施例では連続耐熱温度３００℃の液晶ポリマーを使用した。ヒーターホルダ１２は外面中央部に長手に沿って溝部が形成されている。ヒーター１１はその溝部に嵌め込まれてホルダ１２に保持されている。ホルダ１２はヒーター１１を保持すると共にベルト１３の回転ガイドとしても機能する。

ステイ１７は横断面下向きコの字型の剛性部材であり、ＳＵＭ２４Ｌ、肉厚２ｍｍの型材である。ホルダ１２の内側にホルダ１２に並行に配設されており、ホルダ１２を補強する。

また、図には省略したけれども、ステイ１７の長手方向の一端側と他端側にはそれぞれフランジ部材が装着されている。これらのフランジ部材はベルト１３の一端側と他端側の各端部の位置規制と保形の役目をしている。

加圧ローラ２０は、ＳＵＭ２４−Ｌからなる外径１０ｍｍの芯金２０ａの外周に同心一体に、弾性層２０ｂとしての肉厚３ｍｍのシリコーンゴム層を形成し、更にその外周面に離型層２０ｃとしての厚み５０μｍのＰＦＡチューブを被覆したものである。この加圧ローラ２０の芯金２０ａの一端側と他端側の端部がそれぞれ装置フレーム（不図示）の長手方向の一端側と他端側の側板間に回転可能に軸受保持されている。

ニップ部Ｎにおいて用紙Ｓをシワなどが発生することなく安定的に搬送するために、弾性層２０ｂは外径形状を逆クラウン形状にするとよい。すなわち、加圧ローラ１１０は外径形状が逆クラウン形状の弾性ローラにするとよい。

アセンブリ１０も装置フレームの長手方向の一端側と他端側の側板間において加圧ローラ２０の上側に加圧ローラ２０に対してヒーター１１の側を対向させて加圧ローラ２０に並行に配設されている。そして、一端側と他端側のフランジ部材がそれぞれ加圧機構（不図示）により加圧ローラ２０に向かう方向に所定の押圧力をもって押圧されている。

上記の押圧力により、一端側と他端側のフランジ部材、ステイ１７、ホルダ１２の全体が加圧ローラ２０の方向に移動する。そのため、ヒーター１１がベルト１３を介して加圧ローラ２０に対して弾性層２０ｂの弾性に抗して所定の押圧力で押圧して、ベルト１３と加圧ローラ２０の間に用紙搬送方向Ｘに関して所定幅のニップ部Ｎが形成される。

定着装置Ａの定着動作は次のとおりである。制御手段としての制御回路部（ＣＰＵ）１０は、所定の制御タイミングでモータＭを起動する。このモータＭから回転駆動伝達系（不図示）を介して加圧ローラ２０に回転駆動力が伝達される。これにより、加圧ローラ２０が矢印Ｒ２０の反時計方向に所定の速度で回転駆動される。

加圧ローラ２０が回転されることで、ニップ部Ｎにおいてベルト１３に加圧ローラ２０との摩擦力で回転トルクが作用する。これにより、ベルト１３が、その内面がヒーター１１の表面に密着して摺動しながら、ホルダ１２とステイ１７の外回りを加圧ローラ２０の速度とほぼ対応した速度で矢印Ｒ１３の時計方向に従動回転する。ベルト１３の内面には半固形状潤滑剤が塗工され、ヒーター１１・ホルダ１２とベルト内面との摺動性を確保している。

また、制御回路部１００は電力供給部であるヒーター駆動回路部１０１からヒーター１１に対する通電を開始する。この通電によりヒーター１１は有効全長域に渡って急速に昇温する。その昇温が、ヒーター１１の裏面側（上面）の長手方向のほぼ中央部に接するように設けられた温度検知手段としてのサーミスタ１４によって検知される。サーミスタ１４はＡ／Ｄコンバータ１０２を介して制御回路部１００に接続されている。

制御回路部１００はサーミスタ１４からの出力を所定の周期でサンプリングしており、このように得られた温度情報を温度制御に反映させる構成となっている。つまり、制御回路部１００はサーミスタ１４の出力をもとにヒーター１１の温調制御内容を決定し、ヒーター駆動回路部１０１によって、ヒーター１１の温度が目標温度（設定温度）となるようにヒーター１１への通電を制御する役割を果たしている。

上記の定着装置状態において、画像形成部側から未定着トナー画像Ｔを担持した用紙Ｓが定着装置Ａ側に搬送され、ガイド部材１９にガイドされてニップ部Ｎに導入される。用紙Ｓはニップ部Ｎで挟持搬送される過程でヒーター１１の熱がベルト１３を介して付与される。未定着トナー画像Ｔはヒーター１１の熱とニップ部Ｎの圧力によって用紙Ｓの面に固着像として定着される。ニップ部Ｎを出た用紙Ｓはベルト１３から曲率分離して定着装置Ａの外へ送出される。

上記の定着装置Ａにおいて、ヒーター１１とそれを保持させたホルダ１２がベルトの内面に接触するバックアップ部材である。そして、ニップ部Ｎにおいてベルト1３の内面がヒーター１１とホルダ１２のベルト対向面に摺動しながら回転して記録材上のトナー像の加熱加圧定着が実行される。

（３）加圧ローラ２０の熱伝導率の異方性について
加圧ローラ２０は、弾性層２０ｂにフィラーが添加されており、厚み方向の熱伝導率が周方向および軸方向の熱伝導率よりも大きい異方性を持つようにしてある。これにより、フィラー添加による加圧ローラ硬度の上昇を押さえつつ非通紙部昇温対策効果を向上させている。以下、この加圧ローラ２０の構成について詳述する。

加圧ローラ２０は、弾性層２０ｂに針状（針のように細長くて、先がとがっている形状）のフィラー（針状フィラー）が添加されており、弾性層２０ｂの厚み方向にフィラーが配向されている。フィラー種として、本実施例では炭素繊維フィラー（カーボンファイバーフィラー）：「ＸＮ−１００−０３」（日本グラファイト株式会社）を用いた。このフィラーは、異方性磁化率を有しており、長手方向に磁化率が配向している。

図３は加圧ローラ２０の構成を説明するための模式図である。（ａ）において、ａ，ｂ，ｃは方向を示しており、ａが厚み方向、ｂが周方向、ｃが軸方向である。（ｂ）の加圧ローラ２０の断面を見ると、針状のフィラー２０ｄが弾性層２０ｂの厚み方向に配向されている。

このように針状のフィラー２０ｄが弾性層２０ｂの厚み方向に配向されている加圧ローラの製造方法について述べる。はじめに、芯金２０ａおよび表層２０ｃであるＰＦＡチューブがセットされた金型に、弾性層２０ｂの材料として、フィラー２０ｄが含有されたゴム材を流し込む。本実施例では金型の材質としてＳＵＳを用いた。

次に、厚み方向にフィラー配向をつけるために、加圧ローラ２０の弾性層厚み方向に対して磁場をかける。本実施例では、図４のように、永久磁石ＭＧを用いて１０テスラの磁場をかけた。加圧ローラ２０を周方向に回しながら磁場印加を行うことで、焼成前の弾性層においてその厚み方向にフィラー２ｄを配向させることができる。

最後に焼成を行うことによって、弾性層２０ｂに針状のファイラーが添加されており、弾性層２０ｂの厚み方向にフィラー２ｄが配向されている加圧ローラ２０を製造することができる。即ち、厚み方向の熱伝導率が周方向および軸方向の熱伝導率よりも大きい異方性を持つ構成の加圧ローラ２０を製造することができる。

この加圧ローラ２０のゴム材（弾性層２０ｂ）について、熱伝導率の測定を行った。測定はホットディスク法を用いた。厚み方向、周方向、軸方向の３種類の測定を行ったところ、厚み方向の熱伝導率は、周方向の熱伝導率および軸方向の熱伝導率よりも高いという関係であることが分かった。また、周方向と軸方法の熱伝導率はほぼ一致していた。これはフィラー２０ｄが厚み方向にのみ配向をしていて、他方向にはランダムに配置されているためである。

比較対象としてフィラー２０ｄを配向させずにランダムに配置されている加圧ローラを用意した。この比較対象加圧ローラについても熱伝導率測定を行ったところ、３方向の熱伝導率に異方性は見られなかった。

本発明に係る加圧ローラと比較例の加圧ローラを用いたオンデマンド定着装置において通紙実験を行った。加圧ローラの熱伝導率は、本発明に係る加圧ローラとして、周方向および軸方向の熱伝導率を０．２Ｗ／ｍ・Ｋに固定し、厚み方向を０．２Ｗ／ｍ／Ｋ〜１．６Ｗ／ｍ・Ｋの４水準とったものを用意した。また、比較例の加圧ローラとして、厚み方向＝周方向＝軸方向とし、０．２〜１．６Ｗ／ｍ・Ｋまで５水準取ったものを用意し実験を行った。フィラー添加量と熱伝導率の関係を図５に示した。

実験条件は、Ａ４Ｒサイズの坪量８０ｇ／ｍｍ²の用紙Ｓを３０ｐｐｍの生産性で給紙、プロセススピードは１８０ｍｍ／ｓ、温調温度はセラミックヒーター裏の温度で２４０℃とした。

図６は加圧ローラの熱伝導率について、横軸を厚み方向、縦軸を周方向＝軸方向と取り、非通紙部昇温のピーク温度をプロットしたものである。厚み方向の熱伝導率が周方向、軸方向の熱伝導率より高くなっているプロットが本発明に係る加圧ローラである。また、厚み方向の熱伝導率＝周方向の熱伝導率＝軸方向熱伝導率のプロットが比較例の加圧ローラである。この結果から、厚み方向の熱伝導率が非通紙部昇温ピーク温度に感度が大きく、周方向、軸方向の熱伝導率は非通紙部昇温ピーク温度に感度が小さいということが分かる。

したがって、非通紙部昇温を抑制するには、なるべく厚み方向の熱伝導率を上げるようにした方がよい。針状のフィラー２０ｄを添加する場合は弾性層２０ｂの厚み方向に配向させるのが良い。

加圧ローラの弾性層２０ｂにフィラー２０ｄを含有させる場合、含有量が大きくなるにしたがって製品硬度が上がる。したがって、なるべく少ないフィラー量で厚み方向の熱伝導率を上げる方が良く、フィラーを弾性層厚み方向に配向させるのが有効である。

図７に弾性層厚み方向の熱伝導率と製品硬度の関係について、本発明を実施した場合と比較例について示す。同じ厚み方向熱伝導率を得るためには、本発明を実施した方がフィラー量が減り、製品硬度を下げることができる。違う見方をすると、同じ製品硬度の加圧ローラを製造する場合、本発明を実施した方が厚み方向熱伝導率を上げることができることを示している。

これまで述べたとおり、本発明を実施すると、製品硬度を上げすぎることなく従来よりも厚み方向の熱伝導率を上げることができ、非通紙部昇温をより抑制する加圧ローラを提供できる。

［実施例２］
１）図８の（ａ）の定着装置Ａは、ベルト１３が、駆動ローラ３１と、従動ローラ３２と、バックアップ部材としてのヒーター１１を支持させたホルダ１２、との間に懸回張設されている。加圧ローラ２０がベルト１３を挟んでヒーター１１に当接していて、ニップ部Ｎを形成している。図１の定着装置Ａと同様の構成部材・部分には同じ符号を付して再度の説明を省略する。

この定着装置Ａは、駆動ローラ３１が駆動されることで、ベルト１３が、その内周面がヒーター１１に対して摺動しながら回転する。加圧ローラ２０はベルト１３の回転に従動して回転する。

２）図８の（ｂ）の定着装置Ａは、図１の定着装置Ａにおいて、ヒーター１１を電磁誘導発熱板１１Ａに変更したものである。そして、その電磁誘導発熱板１１Ａを誘導コイル３３で生成される交番磁場により電磁誘導発熱させる構成である。図１の定着装置Ａと同様の構成部材・部分には同じ符号を付して再度の説明を省略する。

電磁誘導発熱板１１Ａはその温度がサーミスタ（不図示）で検知される。制御回路部（不図示）はサーミスタで検知される温度が所定の定着温度に維持されるように電源部（不図示）から誘導コイル３３に投入する電力を制御する。

３）図８の（ｃ）の定着装置Ａは、図１の定着装置Ａにおいて、ベルト１３の金属からなる基体を外部配設の誘導コイル３３で生成される交番磁場により電磁誘導発熱させる構成である。ベルト１３は加圧ローラ２０の回転駆動に従動して内周面がバックアップ部材３４に対して摺動しながら回転する。誘導コイル３３はベルト１３の内側に配設する装置構成にすることもできる。

ベルト１３はその温度がサーミスタ（不図示）で検知される。制御回路部（不図示）はサーミスタで検知される温度が所定の定着温度に維持されるように電源部（不図示）から誘導コイル３３に投入する電力を制御する。

図８の（ａ）の構成の定着装置Ａも、（ｂ）や（ｃ）の定着装置Ａのように、ベルト１３に金属層（電磁誘導発熱層）を設け、ベルト１３の外側或いは内側に誘導コイル３３を配設して電磁誘導加熱する装置構成にすることもできる。

４）図８の（ｄ）のの定着装置Ａは、定着部材１０をハロゲンヒータ３５で加熱される、あるいは誘導コイルで電磁誘導加熱されるヒートローラにしたものである。

５）本発明の定着装置は実施例のように記録材Ｓに担持された未定着トナー像Ｔを加熱加圧して固着画像として加熱定着する定着装置としての使用に限定されない。記録材Ｓに一旦定着された或いは仮定着された画像（定着済み画像又は半定着画像）を加熱加圧して光沢度を向上させるなどの画像の表面性を調整する加熱処理装置（この場合も定着装置と呼ぶことにする）にも本発明を適用することができる。

図８の（ａ）乃至（ｄ）のような構成の定着装置Ａにおいても、加圧ローラ２０として実施例１と同様に弾性層２０ｂにフィラーが添加されており、厚み方向の熱伝導率が周方向および軸方向の熱伝導率よりも大きい異方性を持つようにしてある。これにより、フィラー添加による加圧ローラ硬度の上昇を押さえつつ非通紙部昇温対策効果を向上させている。

６）画像形成装置の画像形成部は電子写真方式に限られない。静電記録方式や磁気記録方式の画像形成部であってもよい。また、転写方式に限られず、記録材に対して直接方式でトナー像を形成する構成のものであってもよい。

７）実施例において定着装置Ａは、実施例の電子写真プリンタ以外の画像形成装置、カラー複写機、ファクシミリ、カラープリンタ、これらの複合機等で実施されてもよい。即ち、実施例の定着装置及び電子写真プリンタは、上述した構成部材の組み合わせには限定されず、それぞれの代替部材で一部又は全部を置き換えた別の実施形態で実現してもよい。

Ａ・・定着装置、１０・・定着部材、２０・・加圧ローラ、２０ｂ・・弾性層、２０ｄ・・フィラー、Ｎ・・ニップ部、Ｓ・・記録材、Ｔ・・画像

Claims (9)

1. 定着部材と弾性層を有する加圧ローラとで形成されるニップ部で画像を担持した記録材を挟持搬送しつつ加熱する定着装置に用いられる前記加圧ローラであって、
   前記弾性層は、フィラーが添加されており、厚み方向の熱伝導率が周方向および軸方向の熱伝導率よりも大きい異方性を持つことを特徴とする加圧ローラ。
2. 前記フィラーは、カーボンファイバーフィラーであり、前記弾性層の厚み方向に配向されていることを特徴とした請求項１に記載の加圧ローラ。
3. 定着部材と弾性層を有する加圧ローラとで形成されるニップ部で画像を担持した記録材を挟持搬送しつつ加熱する定着装置であって、
   前記加圧ローラの前記弾性層は、フィラーが添加されており、厚み方向の熱伝導率が周方向および軸方向の熱伝導率よりも大きい異方性を持つことを特徴とする定着装置。
4. 前記フィラーは、カーボンファイバーフィラーであり、前記弾性層の厚み方向に配向されていることを特徴とした請求項３に記載の定着装置。
5. 前記定着部材は、無端状のベルトと、前記ベルトの内面に接触するバックアップ部材と、を有し、前記ニップ部は前記バックアップ部材に対応する位置における前記ベルトと前記加圧ローラとの当接により形成されていることを特徴とした請求項３または４に記載の定着装置。
6. 前記バックアップ部材がヒーターであることを特徴とした請求項５に記載の定着装置。
7. 前記ベルトを電磁誘導加熱する誘導コイルを有することを特徴とした請求項５に記載の定着装置。
8. 前記定着部材はヒートローラであることを特徴とした請求項３または４に記載の定着装置。
9. 請求項３乃至８のいずれか一項に記載の定着装置を有することを特徴とした画像形成装置。