JP2015075633A - 加圧部材、定着装置および画像形成装置 - Google Patents

加圧部材、定着装置および画像形成装置 Download PDF

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Abstract

【課題】従来より加圧部材に掛かる荷重を高くした場合でも、弾性層の損傷が抑制される加圧部材、及びその加圧部材を有する定着装置ならびに画像形成装置を提供する。【解決手段】円筒状の基材525と、基材525の外周に形成される弾性層526と、弾性層526の外周に形成される表面層527と、を有し、弾性層526は、0.15以上0.3以下のポアソン比を有するエラストマー発泡体であり、弾性層526の軸方向の端面526aは、表面層527側から基材525側に向かって下式(1)を満たす傾斜角度θ(?)で傾斜している加圧部材。1.73e6.95ν−15?ν≰θ≰1.73e6.95ν+15?ν (1)ν:前記弾性層のポアソン比【選択図】図3

Description

本発明は、加圧部材、定着装置および画像形成装置に関する。
粉状のトナーを用いる画像形成装置では、像保持体上に形成された静電電位の差による潜像にトナーを選択的に転移させてトナー像を形成する。このトナー像を記録媒体上に静電的に直接転写した後、あるいは中間転写体に一次転写してから記録媒体に二次転写した後、定着部材と加圧部材との間に記録媒体を挟み込み、トナー像を加熱及び加圧して記録媒体上に定着する。
このようにトナー像を記録媒体上に定着する装置として、円筒状芯金の内部にハロゲンランプ等の発熱体を有する定着ロール(定着部材)と、この定着ロールに押圧される加圧ロール(加圧部材)とで構成されるものが広く知られている。この定着装置では、定着ロールと加圧ロールとが互いに圧接されるニップ部に未定着トナー像を転写した記録媒体が送り込まれ、回転駆動される定着ロールと加圧ロールとの間を通過するときにトナー像が加熱及び加圧される。
また、定着ロールに代えて定着ベルトを定着部材として用いる定着装置が提案されている。定着ベルトには複数の支持ロールによって張架されたタイプと、内部に押圧支持体を有し、無張架の状態で加圧ロールと圧接され回転駆動されるタイプとがある。
定着装置に用いられる加圧ロールは、円筒状の基材と、基材の外周に形成される弾性層と、弾性層の外周に形成される離形層等の表面層と、から構成されるものであり、例えば、以下のものが知られている。
例えば、特許文献1には、軸状の芯金の周囲にスポンジ層(弾性層)を介して表面被覆層を有する加圧部材であって、スポンジ層の軸方向端部にゴム層を設け、前記芯金の周囲に該ゴム層及び上記スポンジ層を貫通して軸方向に延びる複数の貫通孔が形成された加圧部材が開示されている。
例えば、特許文献2には、芯金と同軸にフッ素樹脂等の外層チューブを弾性部材(弾性層)で支持してなる加圧部材であって、前記弾性部材を軸方向端部2ケ所に間隔を置いて配し、これら前記弾性部材と前記チューブ及び前記芯金で囲まれる空洞部に、スポンジ層を形成した加圧部材が開示されている。
例えば、特許文献3には、金属のローラ軸と、このローラ軸上に形成した弾性変形可能な弾性ゴム層(弾性層)と、この弾性ゴム層上に形成した離型材層とを備え、弾性ゴム層を、連続気泡を有する発泡ゴム材料で構成し、弾性ゴムの内部を連続気泡を介してローラ端部に連通させた加圧ローラが開示されている。
ところで、定着装置において、単位時間当たりに定着される記録媒体の枚数を向上させるための一手段として、定着部材と加圧部材とを圧接する圧接力(定着圧力と呼ぶ場合がある)、すなわち定着部材に加圧部材を押し当てる際に加圧部材に掛かる荷重を従来と比較して高く設定することが望ましい。
特開平5−119654号公報 特開平6−67560号公報 特開平10−176710号公報
本発明の目的は、従来より加圧部材に掛かる荷重を高くした場合でも、弾性層の損傷が抑制される加圧部材、及びその加圧部材を有する定着装置ならびに画像形成装置を提供することにある。
請求項1に係る発明は、円筒状の基材と、前記基材の外周に形成される弾性層と、前記弾性層の外周に形成される表面層と、を有し、前記弾性層は、0.15以上0.3以下のポアソン比を有するエラストマー発泡体であり、前記弾性層の軸方向の端面は、前記表面層側から前記基材側に向かって下式(1)を満たす傾斜角度θ(°)で傾斜していることを特徴とする加圧部材。
1.73e6.95ν−15×ν≦θ≦1.73e6.95ν+15×ν (1)
ν:前記弾性層のポアソン比
請求項2に係る発明は、回転可能な回転部材と、前記回転部材に圧接配置され、前記回転部材との間に形成されるニップ部に未定着トナー像を保持した記録媒体を通過させることで前記未定着トナー像を前記記録媒体に定着させる、回転可能な定着部材と、を有し、前記回転部材が、請求項1記載の加圧部材である定着装置。
請求項3に係る発明は、像保持体と、前記像保持体表面に潜像を形成する潜像形成手段と、前記潜像を静電荷像現像用現像剤を用いて現像してトナー像を形成する現像手段と、前記トナー像を記録媒体に転写する転写手段と、前記トナー像を前記記録媒体に定着させる定着手段と、を含み、前記定着手段が、請求項2に記載の定着装置である画像形成装置。
本願請求項1に記載の発明によれば、本構成を有しない場合に比べ、従来より加圧部材に掛かる荷重を高くした場合でも、弾性層の損傷が抑制される。
本願請求項2に記載の発明によれば、本構成を有しない場合に比べ、従来より加圧部材に掛かる荷重を高くした場合でも、弾性層の損傷が抑制される。
本願請求項3に記載の発明によれば、本構成を有しない場合に比べ、従来より加圧部材に掛かる荷重を高くした場合でも、弾性層の損傷が抑制される。
本発明の実施形態に係る定着装置の構成の一例を示す概略断面図である。 本発明の実施形態に係る定着装置の構成の一例を示す概略構成図である。 本発明の実施形態に係る加圧ロール(加圧部材)の軸方向端部を示す模式断面図である。 本発明の実施形態に係る画像形成装置の構成の一例を示す概略構成図である。 種々のポアソン比及び傾斜角度(図3に示すθ)を有する弾性層に荷重を掛けた際に、弾性層に掛かるMises相当応力の変化を示す図である。 図5に示す有限要素法によるシミュレーションにおいて、各ポアソン比と各ポアソン比のMises相当応力の最下点での弾性層の傾斜角度(図3に示すθ(°))との相関をプロットした図である。
本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
<定着装置>
図1は、本発明の実施形態に係る定着装置の構成の一例を示す概略断面図である。なお、図1は、後述する図2のX−X線における断面図である。図1に示す定着装置37は、電磁誘導加熱方式の定着装置である。図1に示す定着装置37は、定着部材の一例としての定着ベルト72と、加圧部材の一例としての加圧ロール74と、定着ベルト72を加圧ロール74に圧接させるための押圧部材としての押圧パッド76と、押圧パッド76を支持する支持部材78と、を備える。定着ベルト72と加圧ロール74との間には、圧接部(以下、ニップ部と呼ぶ場合がある)が形成され、ここに未定着トナー像を保持した記録媒体Pが矢印C方向に挿通される。さらに、定着装置37は、定着ベルト72のニップ部と反対側に位置する外周面に予め定められた間隙を介して離間した状態で対向配置され、定着ベルト72を電磁誘導加熱する磁場発生装置80を備えている。
定着ベルト72の内周面には、ニップ部で定着ベルト72の外周面と接触している加圧ロール74の表面を押圧するように、押圧パッド76が、定着ベルト72の内周面と接触するように配置されている。押圧パッド76は、例えば、シリコーンゴムやフッ素ゴム等の耐熱性を有する弾性体、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、フェノール樹脂、PES樹脂(ポリエーテルサルフォン)、PPS樹脂(ポリフェニレンサルファイド)、LCP(液晶ポリマ)等の耐熱性を有する樹脂、鉄、アルミニウムなどの耐久性や耐熱性を有する金属等で構成される。支持部材78は、例えば、耐熱ガラス、ポリカーボネート、ポリエーテルサルフォン、PPS(ポリフェニレンサルファイド)等の耐熱性樹脂、又はこれらにガラス繊維を混合した繊維強化の耐熱性樹脂等の耐熱性を有する非磁性材料等で構成されている。
図1に示す加圧ロール74は、矢印B方向に回転可能な回転部材であり、円筒状基材としての芯金525と、芯金525の外周に形成される弾性層526と、弾性層526の外周に形成される離型層等の表面層527と、を備える。加圧ロール74の具体的構成については後述する。
図1に示す定着ベルト72は、矢印A方向に回転する。定着ベルト72が回転した際に、押圧パッド76の下面と定着ベルト72の内周面との間に生じる摩擦力を低減させるため、押圧パッド76の下面と定着ベルト72の内周面との間に耐熱性グリスなどの潤滑剤を介在させることが望ましい。
定着ベルト72は環状のベルトであり、図での説明は省略するが、例えば、内側から順に基材層、発熱層、弾性層、離型層等を積層した層状構造をなしている。なお、定着部材は定着ベルトに限定されるものではなく、例えば、円筒状芯金と、該芯金の外周に弾性層、離型層等を形成した定着ロールであってもよい。
基材層は、例えば厚さ10μm以上100μm以下の耐熱性の高い樹脂等で形成されている。樹脂としては、例えばポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルケトン、ポリサルフォン、ポリイミド、ポリイミドアミド、ポリアミド等が挙げられる。
発熱層は、磁場発生装置80により発生される交番磁束の電磁誘導作用により発熱するものである。発熱層は、例えば、コバルト、鉄、ニッケル等の金属又はこれらの合金等の金属材料等が用いられ、電磁誘導による渦電流で十分な発熱が得られるように固有抵抗値を考慮して材質及び厚さが選択されることが好ましい。
弾性層は、例えば、耐熱性、熱伝導性が良い材料であるシリコーンゴム、フッ素ゴム、フルオロシリコンゴム等で形成される。弾性層の厚さは10μm以上500μm以下が好ましく、更には50μm以上500μm以下がより好ましい。弾性層として使用するゴム材料の硬度は、60°以下とすることが好ましく、45°以下とすることがより好ましい。ゴム材料の硬度は、アスカーC型ゴム硬度計(高分子計器株式会社製)を使用し、測定条件はJIS K 7312に準拠して測定される。
離型層は、例えば、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)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等のフッ素樹脂、シリコーン樹脂、シリコーンゴム、フッ素ゴム等、離型性および耐熱性の良い材料等で形成されることが好ましい。離型層の厚さは20μm以上100μm以下が好ましい。
磁場発生装置80は、例えば、励磁回路、磁性コア、励磁コイルおよび励磁コイル保持部材等により構成される。励磁回路は、例えば、20kHzから500kHzの交番電流を発生するものである。磁性コアは、例えば、フェライトやパーマロイ等、透磁率の高い素材で形成される。励磁コイルは、励磁回路から供給される交番電流によって交番磁束を発生するものである。励磁コイルは、例えば一本ずつが絶縁性の物質で被覆された銅線を複数本束ねた束線を複数回巻いて形成されている。磁性コアおよび励磁コイルは、円筒状に保持された定着ベルト72の外周面に沿うように形成されている。本実施形態では、例えば、定着ベルト72の外面と励磁コイルとの間の距離が2mmになるよう設定される。なお、本実施形態における定着装置37の加熱方式は、上記に限定されるものではなく、例えば、ハロゲンランプや抵抗発熱体などによる加熱方式を採用するものであってもよい。
図2を用いて、定着装置37の構成の一例を更に説明する。図2は、本発明の実施形態に係る定着装置の構成の一例を示す概略構成図である。図2に示すように、定着装置37は、細長い矩形状に形成された枠体としての装置フレーム62を備えている。この装置フレーム62には、支持部材78がその両端部に一体的に設けられた断面矩形状の固定部61を介して固定した状態で取り付けられている。
また、装置フレーム62には、定着ベルト72を回転駆動するための駆動軸63の両端部が軸受部材64を介して回転自在に取り付けられている。駆動軸63には、装置フレーム62の内側に位置する両端部に、定着ベルト72の両端部に位置するフランジ部材58bと噛み合う従動ギア65がそれぞれ取り付けられている。また、駆動軸63には、装置フレーム62の外側に位置する一端部に、駆動軸63に駆動力を伝達する伝達ギア66が取り付けられており、この伝達ギア66には、駆動モータ67の回転軸68に固着された駆動ギア69が噛み合わされている。また、駆動モータ67の回転軸68は、その基端部が定着装置37の装置フレーム62に回転自在に取り付けられている。そして、定着装置37は、駆動モータ67を回転駆動することにより、駆動モータ67の回転駆動力を駆動ギア69及び伝達ギア66を介して駆動軸63に伝達し、駆動軸63に取り付けられた従動ギア65を回転させ、これらの従動ギア65と噛み合う定着ベルト72の両端部に設けられたフランジ部材58bによって、定着ベルト72が予め定められた回転速度で回転駆動される。
本実施形態では、定着ベルト72のみを回転駆動し、加圧ロール74を定着ベルト72に圧接させて従動回転するように構成した場合について説明したが、駆動モータ67の回転駆動力を図示しないギアを介して加圧ロール74に伝達し、定着ベルト72と加圧ロール74の双方を回転駆動するように構成しても良いし、加圧ロール74のみを回転駆動し、定着ベルト72を従動回転するように構成しても良い。
加圧ロール74は、芯金525が回転軸となり、その芯金525の両端部が装置フレーム62に軸受部材70を介して回転自在に支持されているとともに、その芯金525の両端部に配置された付勢手段としてのコイルバネ71により定着ベルト72に対して予め定められた圧接力で圧接されている。なお、上記加圧ロール74を回転自在に支持する軸受部材70は、定着装置37の装置フレーム62に対して、定着ベルト72に圧接又は離間する方向に移動自在に図示しない長孔によって保持されている。
図1を用いて、本実施形態の定着装置37の動作の一例を説明する。記録媒体Pの表面に形成された未定着トナー像を定着し、記録媒体Pの表面に画像を形成する場合、定着ベルト72の矢印A方向への回転に伴い、加圧ロール74が矢印B方向へ回転する。また、磁場発生装置80により発生される交番磁束の電磁誘導作用により、定着ベルト72が予め定められた温度まで加熱される。加熱された定着ベルト72は、加圧ロール74とのニップ部まで移動する。一方、不図示の搬送手段により矢印C方向へと、未定着トナー像が形成された記録媒体Pが搬送される。記録媒体Pが前記ニップ部を通過した際に、未定着トナー像は定着ベルト72により加熱され、記録媒体Pの表面に定着される。このようにして画像が形成された記録媒体Pは、不図示の搬送手段により、定着装置37から排出される。また、ニップ部において定着処理を終え、外周面の表面温度が低下した定着ベルト72は、次の定着処理に備えて再度加熱されるために、磁場発生装置80方向へと回転する。
ところで、定着装置37の稼働の際には、定着ベルト72から加圧ロール74に熱が伝達されるが、加圧ロール74の熱伝導率が高いと、加圧ロール74側から熱が放熱され、定着装置37のウォームアップ時間が長くなる場合がある。しかし、加圧ロール74の弾性層526をエラストマー発泡体とすることにより、発泡していないエラストマーを用いる場合より、加圧ロール74の熱伝導率が小さくなり、定着装置37のウォームアップ時間が短縮されると考えられる。また、定着装置37において、単位時間当たりに定着される記録媒体Pの枚数を向上させるための一手段として、定着ベルト72と加圧ロール74とを圧接する圧接力を増加させる、すなわち定着ベルト72に加圧ロール74を押し当てる際に加圧ロール74に掛かる荷重を従来と比較して高く設定することが考えられる。
しかし、弾性層526として発泡体エラストマーを用いた加圧ロール74では、加圧ロール74に掛かる荷重を従来より増加させると、加圧ロール74の弾性層526が押し潰され、弾性層526が損傷する場合がある。具体的な損傷箇所としては、例えば、弾性層526の軸方向の端面であり、端面でも、特に、芯金525との接触部分や、表面層527との接触部分等が考えらえる。なお、従来、加圧ロール74に係る荷重は、ニップ部Nの平均面圧で、例えば0.3MPa程度である。
そこで、本発明者が鋭意検討した結果、弾性層526の軸方向端面を芯金525側から表面層527側へ、エラストマー発泡体のポアソン比に応じて規定した傾斜角度で傾斜させることにより、従来より弾性層に掛かる荷重を高くした場合でも、エラストマー発泡体から構成される弾性層526の損傷が抑制されることを明らかにした。以下、本実施形態の加圧ロール74について具体的に説明する。
図3は、本発明の実施形態に係る加圧ロール(加圧部材)の軸方向端部を示す模式断面図である。図3に示す加圧ロール74は、前述したように、芯金525(円筒状の基材)と、芯金525の外周に形成される弾性層526と、弾性層526の外周に形成される離型層等の表面層527と、を備える。芯金525と弾性層526とは、例えば接着剤等により接着され、また、弾性層526と表面層527とは、例えば接着剤等により接着されている。
弾性層526は、エラストマー発泡体から構成されるものであり、エラストマー発泡体のポアソン比は、0.15以上0.3以下の範囲を有するものである。そして、弾性層526の軸方向の端面は、表面層527側から芯金525側に向かって下式(1)を満たす傾斜角度θ(°)で傾斜している。
1.73e6.95ν−15×ν≦θ≦1.73e6.95ν+15×ν (1)
ν:弾性層526のポアソン比
図3に示すように、傾斜角度θは、弾性層526と表面層527の界面に対する垂線Aから傾斜面526aまでの角度であり、投影機あるいは3次元測定器などにより測定される。なお、傾斜角度が0°であれば、弾性層526の軸方向の端面は、弾性層526と表面層527の界面に対して垂直な面となり、傾斜角度が正の値であれば、表面層527側から芯金525の軸方向外側(芯金525の軸方向端部側)に向かって傾斜する傾斜面となり、傾斜角度が負の値であれば、表面層527側から芯金525の軸方向内側(芯金525の軸方向中央側)に向かって傾斜する傾斜面となる。
0.15以上0.3以下のポアソン比(ν)を有するエラストマー発泡体を用いた場合、弾性層526の軸方向の端面を表面層527側から芯金525側に向かって上記式(1)を満たす傾斜角度θで傾斜させることにより、従来と比較して加圧ロール74に掛かる荷重を増加させた場合でも、弾性層526の軸方向の端面に加わる応力が緩和され或いは端面において損傷が発生する限界荷重が向上する等により、弾性層526の軸方向の端面の損傷、例えば、芯金525との接触部分における端面や表面層527との接触部分における端面の損傷が抑制されると考えられる。
また、0.15以上0.3以下のポアソン比(ν)を有するエラストマー発泡体を用いた場合、弾性層526の軸方向端面の損傷がより抑制される点で、表面層527側から芯金525側に向かって上記式(2)を満たす傾斜角度θ(°)で傾斜させることが好ましい。
1.73e6.95ν−5×ν≦θ≦1.73e6.95ν+5×ν (2)
ν:ポアソン比であり、0.15以上0.3以下の範囲
また、本実施形態では、弾性層526の軸方向の端面を表面層527側から芯金525側に向かって上記式(1)を満たす傾斜角度θで傾斜させれば、弾性層526と芯金525の界面に対する垂線Bから傾斜面526aまでの傾斜角度Rは、上記傾斜角度θと同じ角度になるが、必ずしも傾斜角度θと同じ角度にする必要はなく、下式(3)を満たす範囲であればよく、また、下式(4)を満たす範囲が好ましい。
1.73e6.95ν−15×ν≦R≦1.73e6.95ν+15×ν (3)
1.73e6.95ν−5×ν≦θ≦1.73e6.95ν+5×ν (4)
ν:弾性層526のポアソン比
弾性層526の軸方向端面である傾斜面526aは、傾斜角度θが上記式(1)の範囲を満たすものであれば、直線状、円弧状等いずれの形状であってもよい。
弾性層526は、シリコーンゴム、フッ素ゴム、フルオロシリコンゴム等のエラスマー発泡体から構成されている。エラストマー発泡体は、内部に多数の気泡が分散されており、気泡内部は空気などの気体で満たされているものである。通常、発泡していないエラストマーのポアソン比は0.5に近く、発泡したエラストマーのポアソン比は0.5より小さく、ゴムの弾性率、発泡率、発泡構造、充填剤などによってポアソン比は変化し、発泡率が高い方がポアソン比は低くなる傾向がある。そして、本実施形態のエラストマー発泡体は、0.15以上0.3以下の範囲のポアソン比を有するものである。なお、エラストマー発泡体のポアソン比が0.15未満となると、ポアソン比0.15以上と比較して断熱性は高いものの耐久性が不足し、0.3を超えると、ポアソン比0.3以下と比較して断熱性が不足すると考えられる。ポアソン比とは、対象物(エラストマー発泡体)を弾性限界内で例えば引張りを加えた時に、荷重方向の伸び(ひずみ%)と、荷重に直角方向の寸法の縮み(ひずみ%)の比をいい、JIS K7162に従って測定される。
エラストマー発泡体は、例えば、未加硫ゴムに発泡剤を加え加熱発泡させることにより形成される他、架橋反応ガスを発生する2成分型液状シリコーンゴム等の自己発泡反応式により形成される。発泡剤としては、例えばアゾビスイソブチロニトリル(AIBN)、炭酸水素ナトリウム、炭酸アンモニウム、ジアゾアミノベンゼンなどが用いられる。
エラストマー発泡体内部の気泡は互いに独立した構造でも、互いに連通した構造であっても良いが、加圧ロール74の熱膨張の点等から、連通した構造であることが好ましい。また、芯金525と弾性層526との界面、表面層527と弾性層526との界面における損傷を抑制する点で、芯金525側の弾性層526の表面にある気泡や表面層527側の弾性層526の表面にある気泡に、耐熱性接着剤やエラストマーを充填することが好ましい。
弾性層526は芯金525の外周面のすべてを覆うよう形成されることが望ましく、その厚さは2mm以上20mm以下が好ましく、更には3mm以上10mm以下がより好ましい。
芯金525には、例えば、ニッケル鍍金を施した鉄からなる直径18mmの円筒状の部材が用いられる。
表面層527は、例えば、PFA(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)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、FEP(テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、シリコーン樹脂、シリコーンゴム、フッ素ゴム、フッ化ポリイミド等の離型性および耐熱性の良い材料等で形成される。表面層527は、弾性層526の外周面のすべてを覆うよう形成されることが好ましく、その厚さは10μm以上200μm以下が好ましく、更には20μm以上100μm以下がより好ましい。また、表面層527は静電気的なオフセットを防止するためにフッ素樹脂中にカーボンブラックなどの導電剤を含む事が好ましい。
本実施形態の加圧ロール74の製造方法について、以下説明する。なお、製造方法は、これに限るものではなく、適宜改造して行われることはいうまでもない。
まず、未加硫のミラブルシリコーンゴムに発泡剤及びその他の添加剤を加え混練したのち、中空円筒状に押し出すと同時に加熱発泡させて、円筒状のシリコーンゴム発泡体を作成する。そして、シリコーンゴム発泡体を所定の長さに切断したのち、接着剤を塗布した円筒状の基材(芯金)を挿入し、更に外周面を所定の外径に研削加工する。次に、発泡体の外周面に接着剤を塗布した上で、PFAチューブ等の表面層を被覆する。さらに、シリコーンゴム発泡体のポアソン比(ν)に対応して、シリコーンゴム発泡体の軸方向端面を表面層側から基材側に向かって前述の傾斜角度で傾斜するように切断加工して、加圧ロールを得る。
あるいは、金属よりなる円筒状の金型内面に沿って、表面層となる離型性樹脂チューブを挿入し、さらにその内側に、円筒状の基材(芯金)を挿通し、金型の上部および下部に上部栓体および下部栓体を嵌合させて同心的に保持する。次いで、円筒状の基材と離型性樹脂チューブとの隙間に発泡剤を含む液状のエラストマーを注入して発泡及び加硫した後、室温まで冷却する。そして、上部栓体および下部栓体を取り外し、芯金上にエラストマー発泡体、離型性樹脂チューブが形成されたものを円筒型から引き抜く。さらにエラストマー発泡体のポアソン比(ν)に対応して、エラストマー発泡体の軸方向端面を表面層側から基材側に向かって前述の傾斜角度で傾斜するように切断加工して、加圧ロールを得る。
<画像形成装置>
図4は、本発明の実施形態に係る画像形成装置の構成の一例を示す概略構成図である。ここでは、一般にタンデム型と呼ぶ中間転写方式の画像形成装置を例に挙げて説明する。
図4に示す画像形成装置100は、電子写真方式により各色成分のトナー像が形成される複数の画像形成ユニット1Y,1M,1C,1Kと、各画像形成ユニット1Y,1M,1C,1Kにより形成された各色成分トナー像を中間転写ベルト15に順次転写(一次転写)させる一次転写部10と、中間転写ベルト15上に転写された重畳トナー像を記録媒体である用紙Kに一括転写(二次転写)させる二次転写部20と、二次転写された画像を用紙K上に定着させる定着装置37とを備えている。また、画像形成装置100は、各装置(各部)の動作を制御する制御部40を有している。また、定着装置37は、前述の定着装置である。
画像形成装置100の各画像形成ユニット1Y,1M,1C,1Kは、表面に形成されるトナー像を保持する像保持体の一例として、矢印A方向に回転する感光体ドラム11を備えている。
感光体ドラム11の周囲には、前記像保持体の表面を帯電させる帯電手段の一例として、感光体ドラム11を帯電させる帯電器12が設けられ、前記帯電器12により帯電した像保持体の表面に潜像を形成する潜像形成手段の一例として、感光体ドラム11上に静電潜像を書込むレーザ露光器13(図中露光ビームを符号Bmで示す)が設けられている。
また、感光体ドラム11の周囲には、前記潜像形成手段により前記像保持体の表面に形成された潜像をトナーにより現像してトナー像を形成する現像手段の一例として、各色成分トナーが収容されて感光体ドラム11上の静電潜像をトナーにより可視像化する現像器14が設けられ、感光体ドラム11上に形成された各色成分トナー像を一次転写部10にて中間転写ベルト15に転写する一次転写ロール16が設けられている。
さらに、感光体ドラム11の周囲には、感光体ドラム11上の残留トナーが除去されるドラムクリーナ17が設けられ、帯電器12、レーザ露光器13、現像器14、一次転写ロール16及びドラムクリーナ17の電子写真用デバイスが感光体ドラム11の回転方向に沿って順次配設されている。これらの画像形成ユニット1Y,1M,1C,1Kは、中間転写ベルト15の上流側から、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(K)の順に、略直線状に配置されている。
中間転写体である中間転写ベルト15は、ポリイミドあるいはポリアミド等の樹脂をベース層としてカーボンブラック等の帯電防止剤を適当量含有させたフィルム状の加圧ベルトで構成されている。そして、その体積抵抗率は10Ωcm以上1014Ωcm以下となるように形成されており、その厚みは、例えば、0.1mm程度に構成されている。
中間転写ベルト15は、各種ロールによって図3に示すB方向に所定の速度で循環駆動(回転)されている。この各種ロールとして、定速性に優れたモータ(図示せず)により駆動されて中間転写ベルト15を回転させる駆動ロール31、各感光体ドラム11の配列方向に沿って略直線状に延びる中間転写ベルト15を支持する支持ロール32、中間転写ベルト15に対して一定の張力を与えると共に中間転写ベルト15の蛇行を防止する補正ロールとして機能するテンションロール33、二次転写部20に設けられるバックアップロール25、中間転写ベルト15上の残留トナーを掻き取るクリーニング部に設けられるクリーニングバックアップロール34を有している。
一次転写部10は、中間転写ベルト15を挟んで感光体ドラム11に対向して配置される一次転写ロール16で構成されている。一次転写ロール16は、シャフトと、シャフトの周囲に固着された弾性層としてのスポンジ層とで構成されている。シャフトは、鉄、SUS等の金属で構成された円柱棒である。スポンジ層はカーボンブラック等の導電剤を配合したNBRとSBRとEPDMとのブレンドゴムで形成され、体積抵抗率が107.5Ωcm以上108.5Ωcm以下のスポンジ状の円筒ロールである。
そして、一次転写ロール16は中間転写ベルト15を挟んで感光体ドラム11に圧接配置され、さらに一次転写ロール16にはトナーの帯電極性(マイナス極性とする。以下同様。)と逆極性の電圧(一次転写バイアス)が印加されるようになっている。これにより、各々の感光体ドラム11上のトナー像が中間転写ベルト15に順次、静電吸引され、中間転写ベルト15上において重畳されたトナー像が形成されるようになっている。
二次転写部20は、バックアップロール25と、前記現像手段により形成されたトナー像を記録媒体に転写する転写手段の一例としての、中間転写ベルト15のトナー像保持面側に配置される二次転写ロール22と、を備えて構成されている。
バックアップロール25は、表面がカーボンを分散したEPDMとNBRのブレンドゴムのチューブ、内部はEPDMゴムで構成されている。そして、その表面抵抗率が10以上Ω/□1010Ω/□以下となるように形成され、硬度は、例えば、70°(アスカーC:高分子計器社製、以下同様。)に設定される。このバックアップロール25は、中間転写ベルト15の裏面側に配置されて二次転写ロール22の対向電極を構成し、二次転写バイアスが安定的に印加される金属製の給電ロール26が接触配置されている。
一方、二次転写ロール22は、シャフトと、シャフトの周囲に固着された弾性層としてのスポンジ層とで構成されている。シャフトは鉄、SUS等の金属で構成された円柱棒である。スポンジ層はカーボンブラック等の導電剤を配合したNBRとSBRとEPDMとのブレンドゴムで形成され、体積抵抗率が107.5以上Ωcm108.5Ωcm以下のスポンジ状の円筒ロールである。
そして、二次転写ロール22は中間転写ベルト15を挟んでバックアップロール25に圧接配置され、さらに二次転写ロール22は接地されてバックアップロール25との間に二次転写バイアスが形成され、二次転写部20に搬送される用紙K上にトナー像を二次転写する。
また、中間転写ベルト15の二次転写部20の下流側には、二次転写後の中間転写ベルト15上の残留トナーや紙粉を除去し、中間転写ベルト15の表面をクリーニングする中間転写ベルトクリーナ35が接離自在に設けられている。
一方、イエローの画像形成ユニット1Yの上流側には、各画像形成ユニット1Y,1M,1C,1Kにおける画像形成タイミングをとるための基準となる基準信号を発生する基準センサ(ホームポジションセンサ)42が配設されている。また、黒の画像形成ユニット1Kの下流側には、画質調整を行うための画像濃度センサ43が配設されている。この基準センサ42は、中間転写ベルト15の裏側に設けられた所定のマークを認識して基準信号を発生しており、この基準信号の認識に基づく制御部40からの指示により、各画像形成ユニット1Y,1M,1C,1Kは画像形成を開始するように構成されている。
更に、本実施形態の画像形成装置では、用紙Kを搬送する搬送手段として、用紙Kを収容する用紙収容部50、この用紙収容部50に集積された用紙Kを所定のタイミングで取り出して搬送する給紙ロール51、給紙ロール51により繰り出された用紙Kを搬送する搬送ロール52、搬送ロール52により搬送された用紙Kを二次転写部20へと送り込む搬送ガイド53、二次転写ロール22により二次転写された後に搬送される用紙Kを定着装置37へと搬送する搬送ベルト55、用紙Kを定着装置37に導く定着入口ガイド56を備えている。
次に、本実施形態に係る画像形成装置の基本的な作像プロセスについて説明する。図3に示す画像形成装置では、図示しない画像読取装置や図示しないパーソナルコンピュータ(PC)等から出力される画像データは、図示しない画像処理装置により所定の画像処理が施された後、画像形成ユニット1Y,1M,1C,1Kによって作像作業が実行される。
画像処理装置では、入力された反射率データに対して、シェーディング補正、位置ズレ補正、明度/色空間変換、ガンマ補正、枠消しや色編集、移動編集等の各種画像編集等の所定の画像処理が施される。画像処理が施された画像データは、Y,M,C,Kの4色の色材階調データに変換され、レーザ露光器13に出力される。
レーザ露光器13では、入力された色材階調データに応じて、例えば半導体レーザから出射された露光ビームBmを画像形成ユニット1Y,1M,1C,1Kの各々の感光体ドラム11に照射している。画像形成ユニット1Y,1M,1C,1Kの各感光体ドラム11では、帯電器12によって表面が帯電された後、このレーザ露光器13によって表面が走査露光され、静電潜像が形成される。形成された静電潜像は、各々の画像形成ユニット1Y,1M,1C,1Kによって、Y,M,C,Kの各色のトナー像として現像される。
画像形成ユニット1Y,1M,1C,1Kの感光体ドラム11上に形成されたトナー像は、各感光体ドラム11と中間転写ベルト15とが接触する一次転写部10において、中間転写ベルト15上に転写される。より具体的には、一次転写部10において、一次転写ロール16により中間転写ベルト15の基材に対しトナーの帯電極性(マイナス極性)と逆極性の電圧(一次転写バイアス)が付加され、トナー像を中間転写ベルト15の表面に順次重ね合わせて一次転写が行われる。
トナー像が中間転写ベルト15の表面に順次一次転写された後、中間転写ベルト15は移動してトナー像が二次転写部20に搬送される。トナー像が二次転写部20に搬送されると、搬送手段では、トナー像が二次転写部20に搬送されるタイミングに合わせて給紙ロール51が回転し、用紙収容部50から所定サイズの用紙Kが供給される。給紙ロール51により供給された用紙Kは、搬送ロール52により搬送され、搬送ガイド53を経て二次転写部20に到達する。この二次転写部20に到達する前に、用紙Kは一旦停止され、トナー像が保持された中間転写ベルト15の移動タイミングに合わせてレジストロール(図示せず)が回転することで、用紙Kの位置とトナー像の位置との位置合わせがなされる。
二次転写部20では、中間転写ベルト15を介して、二次転写ロール22がバックアップロール25に加圧される。このとき、タイミングを合わせて搬送された用紙Kは、中間転写ベルト15と二次転写ロール22との間に挟み込まれる。その際に、給電ロール26からトナーの帯電極性(マイナス極性)と同極性の電圧(二次転写バイアス)が印加されると、二次転写ロール22とバックアップロール25との間に転写電界が形成される。そして、中間転写ベルト15上に保持された未定着トナー像は、二次転写ロール22とバックアップロール25とによって加圧される二次転写部20において、用紙K上に一括して静電転写される。
その後、トナー像が静電転写された用紙Kは、二次転写ロール22によって中間転写ベルト15から剥離された状態でそのまま搬送され、二次転写ロール22の用紙搬送方向下流側に設けられた搬送ベルト55へと搬送される。搬送ベルト55では、定着装置37における最適な搬送速度に合わせて、用紙Kを定着装置37まで搬送する。定着装置37に搬送された用紙K上の未定着トナー像は、定着装置37によって熱及び圧力で定着処理を受けることで用紙K上に定着される。そして定着画像が形成された用紙Kは、画像形成装置の排出部に設けられた排紙収容部(不図示)に搬送される。
一方、用紙Kへの転写が終了した後、中間転写ベルト15上に残った残留トナーは、中間転写ベルト15の回転に伴ってクリーニング部まで搬送され、クリーニングバックアップロール34及び中間転写ベルトクリーナ35によって中間転写ベルト15上から除去される。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定的に解釈されるものではなく、種々の変形、変更、改良が可能であり、本発明の要件を満足する範囲内で実現可能であることは言うまでもない。
以下、本発明を、実施例を挙げてさらに具体的に説明する。ただし、これら各実施例は、本発明を制限するものではない。
(実施例1)
有限要素法によるシミュレーションによって、弾性層に面圧で0.4MPaの荷重を掛けた際に、弾性層に掛かる応力を求めた。有限要素法によるシミュレーションの計算条件は以下の通りである。
<計算条件>
計算ソフト:ABAQUS
弾性層:エラストマー発泡体
弾性層のポアソン比:0.15、0.2、0.25、0.3
弾性層の傾斜角度(図3に示すθ):‐11.3°以上38.7°以下
弾性層の厚み:5mm
解析軸長:175mm弾性層のヤング率:0.6〜2.6MPa
弾性層に掛ける荷重:0.4MPa(面圧)
荷重の付与条件:剛表面をゴム層上面に接触させて荷重付与
図5は、種々のポアソン比及び傾斜角度(図3に示すθ)を有する弾性層に荷重を掛けた際に、弾性層に掛かるMises相当応力の変化を示す図である。ここで、図5の弾性層のMises相当応力(要素中心点)とは、弾性層に掛かる応力であり、前述の有限要素法によるシミュレーションによって求められる。なお、図5はヤング率1.6MPaにおけるものを代表として示したもので、ヤング率の変化に対しては応力が最小となる弾性層の傾斜角度(図3に示すθ(°))関係はそのままで上下に移動した。
図6の傾斜角度=1.73e6.95νの関係で示す直線は、図5に示す有限要素法によるシミュレーションにおいて、各ポアソン比と各ポアソン比のMises相当応力の最下点での弾性層の傾斜角度(図3に示すθ(°))との相関をプロットしたもので、またその近似式としてしたものある。弾性層の傾斜角度は、上記最適な傾斜角度=1.73e6.95ν斜に対して30〜50%程度の範囲である1.73e6.95ν±15×νであり、好ましい範囲10〜15%程度の範囲である1.73e6.95ν±5×νである。
以下の実施例では、0.15以上0.3以下のポアソン比を有する弾性層において、上記式(1)を満たす種々の傾斜角で、弾性層の軸方向の端面を傾斜させた加圧ロールを作製し、弾性層の損傷を実機にて評価した。
(実施例2:ポアソン比が0.15)
発泡剤アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)2.5質量部、及び硬化剤ジクミルパーオキサイド1質量部をミラブルシリコーンゴムに加え混練した後、中空円筒状に押し出すと同時に加熱発泡させて、厚さ5.5mm、硬度50°(Asker−C)、外径29mmの円筒状のシリコーンゴム発泡体を作製した。このシリコーンゴム発泡体のポアソン比をJIS K7162に従って測定したところ、0.15であった。前記シリコーンゴム発泡体を355mmの長さに切断した。そして、この円筒状のシリコーンゴム発泡体内に、接着剤を塗布した外径18mm芯金を挿入し、更に該シリコーンゴム発泡体を28mmの外径に研削加工し、シリコーンゴム発泡体の肉厚を5mmとした。次に、シリコーンゴム発泡体の外周面に接着剤を塗布した上で、厚さ30μmの導電性PFAチューブ(表面層)を被覆した。次いで、シリコーンゴム発泡体の軸方向の端面を表面層側から芯金側に向かって3°、4°、5°、6°、7°の傾斜角度(図3に示すθ)で傾斜するように切断加工した加圧ロールをそれぞれ準備した。また、図3に示す傾斜角度Rは傾斜角度θと同じ角度とした。上記傾斜角度は、ポアソン比が0.15の場合において、1.73e6.95ν±15×νの範囲内となる傾斜角度であり、傾斜角度5°は、1.73e6.95ν±5×νの範囲内となる傾斜角度である。
(実施例3:ポアソン比が0.2)
発泡剤アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)を2.0質量部、硬化剤ジクミルパーオキサイドを1質量部としたこと以外は実施例1と同様に円筒状のシリコーンゴム発泡体を作製した。このシリコーンゴム発泡体のポアソン比をJIS K7162に従って測定したところ、0.2であった。そして、シリコーンゴム発泡体の軸方向の端面を表面層側から芯金側に向かって4°、5°、6°、7°、8°、9°の傾斜角度(図3に示すθ)で傾斜するように切断加工したこと以外は、実施例1と同様に加圧ロールを作製した。また、図3に示す傾斜角度Rは傾斜角度θと同じ角度とした。上記傾斜角度は、ポアソン比が0.2の場合において、1.73e6.95ν±15×νの範囲内となる傾斜角度であり、傾斜角度7°、8°は、1.73e6.95ν±5×νの範囲内となる傾斜角度である。
(実施例4:ポアソン比が0.25)
発泡剤アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)を1.5質量部、硬化剤ジクミルパーオキサイドを1質量部としたこと以外は実施例1と同様に円筒状のシリコーンゴム発泡体を作製した。このシリコーンゴム発泡体のポアソン比をJIS K7162に従って測定したところ、0.25であった。そして、シリコーンゴム発泡体の軸方向の端面を表面層側から芯金側に向かって6°、7°、8°、9°、10°、11°、12°、13°の傾斜角度(図3に示すθ)で傾斜するように切断加工したこと以外は、実施例1と同様に加圧ロールを作製した。また、図3に示す傾斜角度Rは傾斜角度θと同じ角度とした。上記傾斜角度は、ポアソン比が0.25の場合において、1.73e6.95ν±15×νの範囲内となる傾斜角度であり、傾斜角度9°、10°、11°は、1.73e6.95ν±5×νの範囲内となる傾斜角度である。
(実施例5:ポアソン比が0.3)
発泡剤アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)を1質量部、硬化剤ジクミルパーオキサイドを1質量部としたこと以外は実施例1と同様に円筒状のシリコーンゴム発泡体を作製した。このシリコーンゴム発泡体のポアソン比をJIS K7162に従って測定したところ、0.3であった。そして、シリコーンゴム発泡体の軸方向の端面を表面層側から芯金側に向かって10°、11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°の傾斜角度(図3に示すθ)で傾斜するように切断加工したこと以外は、実施例1と同様に加圧ロールを作製した。また、図3に示す傾斜角度Rは傾斜角度θと同じ角度とした。上記傾斜角度は、ポアソン比が0.3の場合において、1.73e6.95ν±15×νの範囲内となる傾斜角度であり、傾斜角度13°、14°、15°は、1.73e6.95ν±5×νの範囲内となる傾斜角度である。
(比較例1:ポアソン比が0.15、傾斜角度0°、2°、8°、20°)
シリコーンゴム発泡体の軸方向の端面の傾斜角度(図3に示すθ)を0°、2°、8°、20°となるように切断加工したこと以外は、実施例2と同様に加圧ロールを作製した。上記傾斜角度は、ポアソン比が0.15の場合において、1.73e6.95ν±15×νの範囲外となる傾斜角度である。
(比較例2:ポアソン比が0.2、傾斜角度0°、3°、10°、20°)
シリコーンゴム発泡体の軸方向の端面の傾斜角度(図3に示すθ)を0°、3°、10°、20°となるように切断加工したこと以外は、実施例3と同様に加圧ロールを作製した。上記傾斜角度は、ポアソン比が0.2の場合において、1.73e6.95ν±15×νの範囲外となる傾斜角度である。
(比較例3:ポアソン比が0.25、傾斜角度0°、5°、14°、20°)
シリコーンゴム発泡体の軸方向の端面の傾斜角度(図3に示すθ)を0°、5°、14°、20°となるように切断加工したこと以外は、実施例4と同様に加圧ロールを作製した。上記傾斜角度は、ポアソン比が0.25の場合において、1.73e6.95ν±15×νの範囲外となる傾斜角度である。
(比較例4:ポアソン比が0.3、傾斜角度が0°、9°、19°、20°)
シリコーンゴム発泡体の軸方向の端面の傾斜角度(図3に示すθ)を0°、9°、19°、20°となるように切断加工したこと以外は、実施例5と同様に加圧ロールを作製した。上記傾斜角度は、ポアソン比が0.3の場合において、1.73e6.95ν±15×νの範囲外となる傾斜角度である。
<弾性層の損傷評価>
実施例2〜5及び比較例1〜4の加圧ロールを図1に示す定着装置に装着し、通常は、約0.3MPaの荷重で加圧ロールを定着ベルトに押し当てるところ、通常より高い0.45MPaの荷重で、加圧ロールを定着ベルトに押し当てた。そして、加圧ロールの周速度を90mm/s、定着ベルトの制御温度を175℃として、連続回転駆動させた定着装置に、普通紙を連続100,000枚通紙した。そして、加圧ロールの弾性層の軸方向端面の損傷を下記の基準で行い、その結果を表1にまとめた。
(弾性層の損傷の評価基準)
◎:弾性層の軸方向端面の損傷がルーペで確認されない場合
○:弾性層の軸方向端面の損傷が目視で確認されない場合
△:弾性層の軸方向端面の損傷が目視で若干確認される場合
×*1:弾性層の軸方向端面のうち芯金近傍での損傷が目視で明確に確認される場合
×*2:弾性層の軸方向端面のうち表面層近傍での損傷が目視で明確に確認される場合
Figure 2015075633
表1から分かるように、0.15以上0.3以下のポアソン比を有する弾性層(シリコーンゴム発泡体)において、弾性層の軸方向端面を表面層側から芯金側に向かって1.73e6.95ν±15×νの範囲内となる傾斜角度で傾斜させた実施例2〜5では、通常より高い荷重を加圧ロールに掛けても、弾性層の軸方向端面の損傷は目視で確認されなかった。特に、弾性層の軸方向端面を表面層側から芯金側に向かって1.73e6.95ν±5×νの範囲内となる傾斜角度で傾斜させることで、弾性層の軸方向端面の損傷はルーペでも確認されなかった。これに対し、0.15以上0.3以下のポアソン比を有する弾性層(シリコーンゴム発泡体)において、弾性層の軸方向端面を表面層側から芯金側に向かって1.73e6.95ν±15×νの範囲外となる傾斜角度で傾斜させた比較例1〜4では、弾性層の軸方向端面の損傷が目視で確認された。特に、傾斜角度を0°、20°とした場合には、弾性層の軸方向端面のうち芯金近傍又は表面層近傍での損傷が目視で明確に確認された。
10 一次転写部、11 感光体ドラム、12 帯電器、13 レーザ露光器、14 現像器、15 中間転写ベルト、16 一次転写ロール、17 ドラムクリーナ、20 二次転写部、22 二次転写ロール、25 バックアップロール、26 給電ロール、31 駆動ロール、32 支持ロール、33 テンションロール、34 クリーニングバックアップロール、35 中間転写ベルトクリーナ、37 定着装置、40 制御部、42 基準センサ、43 画像濃度センサ、50 用紙収容部、51 給紙ロール、52 搬送ロール、53 搬送ガイド、55 搬送ベルト、56 定着入口ガイド、58b フランジ部材、61 固定部、62 装置フレーム、63 駆動軸、64 軸受部材、65 従動ギア、66 伝達ギア、67 駆動モータ、68 回転軸、69 駆動ギア、70 軸受部材、71 コイルバネ、72 定着ベルト、74 加圧ロール、76 押圧パッド、 78 支持部材、80 磁場発生装置、100 画像形成装置、525 芯金(円筒状の基材)、526 弾性層、526a 傾斜面、527 表面層。

Claims (3)

  1. 円筒状の基材と、前記基材の外周に形成される弾性層と、前記弾性層の外周に形成される表面層と、を有し、
    前記弾性層は、0.15以上0.3以下のポアソン比を有するエラストマー発泡体であり、
    前記弾性層の軸方向の端面は、前記表面層側から前記基材側に向かって下式(1)を満たす傾斜角度θ(°)で傾斜していることを特徴とする加圧部材。
    1.73e6.95ν−15×ν≦θ≦1.73e6.95ν+15×ν (1)
    ν:前記弾性層のポアソン比
  2. 回転可能な回転部材と、
    前記回転部材に圧接配置され、前記回転部材との間に形成されるニップ部に未定着トナー像を保持した記録媒体を通過させることで前記未定着トナー像を前記記録媒体に定着させる、回転可能な定着部材と、を有し、
    前記回転部材が、請求項1記載の加圧部材であることを特徴とする定着装置。
  3. 像保持体と、前記像保持体表面に潜像を形成する潜像形成手段と、前記潜像を静電荷像現像用現像剤を用いて現像してトナー像を形成する現像手段と、前記トナー像を記録媒体に転写する転写手段と、前記トナー像を前記記録媒体に定着させる定着手段と、を含み、
    前記定着手段が、請求項2に記載の定着装置であることを特徴とする画像形成装置。
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