JP2016186611A - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力定着に用いる定着部材が用紙の繊維より弾性率が低い弾性体層を有しない場合に比較して、表面の粗い用紙の変形を抑制しつつ画像抜けの発生を低減させる定着装置を提供する。
【解決手段】金属製基体４２１の外周に被覆された弾性体からなる弾性体層４２２を有し、記録媒体５上に形成された圧力流動性トナーからなる未定着トナー像Ｔを加圧することで定着する定着ロール４２と、定着ロール４２に対向して配置され、定着ロールに圧接する加圧ロール４３と、を備え、弾性体層４２２は、記録媒体５としての紙よりも低い弾性率を有するように構成した。
【選択図】図４

Description

この発明は、定着装置及び画像形成装置に関する。

近年、定着装置としては、省エネルギー（低消費電力）化などの要請に応えるため、非加熱でトナー像を定着する圧力定着方式を採用したものが種々提案されている（特許文献１〜３）。

特許文献１は、複数の作像部で用いるトナーが、圧力相転移樹脂を含む圧力相転移樹脂トナー、又は熱可塑性樹脂を含む熱可塑性樹脂トナーであり、記録媒体上に転写されたトナー画像を形成する圧力相転移樹脂トナーを、記録媒体に定着させる定着手段の定着ニップが形成される圧力定着ニップ部と、記録媒体上に転写されたトナー画像を形成する熱可塑性樹脂トナーを、記録媒体に定着させる定着手段の定着ニップが形成される熱定着ニップ部とを別に備え、圧力定着ニップ部での圧力相転移樹脂トナーの定着条件における温度Ｔｂ及び圧力Ｐｂと、熱定着ニップ部での熱可塑性樹脂トナーの定着条件における温度Ｔａ及び圧力Ｐａとの大小関係が、Ｔｂ＜ＴａかつＰｂ＞Ｐａを満たすように構成したものである。

特許文献２は、３種のトナーのうち少なくとも１種のトナーは、定着装置の圧力を変更することにより、イエロー、マゼンタ、並びにシアンのうちの１色及びブラックのいずれかの１色を選択して記録媒体に定着可能なものであり、定着装置は１台だけ配置されており、定着装置はフルカラーでの印刷時とフルカラー以外の作像時で異なる圧力で定着を行うように構成したものである。

特許文献３は、圧力相転移樹脂を含むトナーを用いて記録媒体上に形成したトナー画像に、非加熱で圧力を加えることにより、トナー画像を記録媒体に定着させる圧力定着手段を備え、圧力定着手段による定着の際に記録媒体上のトナー画像に加える圧力は、０．５ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下であるように構成したものである。

特開２０１３−０１５６６４号公報 特開２００９−２１７１０６号公報 特開２０１３−０３７３１１号公報

この発明は、圧力定着に用いる定着部材が用紙の繊維より弾性率が低い弾性体層を有しない場合に比較して、表面の粗い用紙の変形を抑制しつつ画像抜けの発生を低減させることを目的とする。

請求項１に記載された発明は、金属製基体の外周に被覆された弾性体からなる弾性体層を有し、記録媒体上に形成された圧力流動性トナーからなる未定着トナー像を加圧することで定着する定着部材と、
前記定着部材に対向して配置され、前記定着部材に圧接する加圧部材と、
を備え、
前記弾性体層は、前記記録媒体としての紙よりも低い弾性率を有する定着装置である。

請求項２に記載された発明は、前記定着部材は、前記弾性体層の表面に被覆された被覆層を有し、
前記被覆層は、前記記録媒体としての紙より弾性率が高いことを特徴とする請求項１に記載の定着装置である。

請求項３に記載された発明は、前記被覆層は、表面が粗い前記紙の凹凸よりも厚さが薄いことを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置である。

請求項４に記載された発明は、記録媒体の表面に圧力流動性トナーからなるトナー像を形成するトナー像形成手段と、
前記記録媒体の表面に形成された圧力流動性トナーからなるトナー像を圧力により定着する定着手段と、
を備え、
前記定着手段として請求項１乃至３のいずれかに記載された定着装置を用いたことを特徴とする画像形成装置である。

請求項１に記載された発明によれば、圧力定着に用いる定着部材が用紙の繊維より弾性率が低い弾性体層を有しない場合に比較して、表面の粗い用紙の変形を抑制しつつ画像抜けの発生を低減させることができる。

請求項２に記載された発明によれば、定着部材が、弾性体層の表面に被覆され、記録媒体としての紙より弾性率が高い被覆層を有しない場合に比較して、定着部材にトナーが付着するのを抑制することができる。

請求項３に記載された発明によれば、被覆層の厚さが、表面が粗い紙の凹凸よりも厚い場合に比較して、表面の粗い用紙の変形を抑制しつつ画像抜けの発生を低減させることができる。

請求項４に記載された発明によれば、圧力定着に用いる定着部材が用紙の繊維より弾性率が低い弾性体層を有しない場合に比較して、表面の粗い用紙の変形を抑制しつつ画像抜けの発生を低減させることができ、記録媒体に形成される画像の画質が向上する。

この発明の実施の形態１に係る定着装置を適用した画像形成装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る定着装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る定着装置を示す側面構成図である。 この発明の実施の形態１に係る定着装置を示す断面構成図である。 同図（ａ）は表面に凹凸を有するラフ紙を示す模式図、同図（ｂ）（ｃ）はラフ紙を加圧する状態をそれぞれ示す模式図である。 有限要素法による計算結果を示すグラフである。 この発明の実施の形態２に係る定着装置を示す断面構成図である。 ラフ紙を加圧する状態を示す模式図である。 有限要素法による計算結果を示すグラフである。 有限要素法による計算結果としてのグラフを示す図表である。 実験例を示す模式図である。 実験結果としての顕微鏡写真を示す模式図である。

以下に、この発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）について図面を参照しながら説明する。

[実施の形態１]
図１は、この発明の実施の形態１に係る定着装置を適用した画像形成装置を示すものである。

＜画像形成装置の全体の構成＞
実施の形態１に係る画像形成装置１は、例えばカラープリンタとして構成されたものである。この画像形成装置１は、現像剤４を構成する圧力流動性トナーで現像されるトナー像を形成する複数の作像装置１０と、各作像装置１０で形成されたトナー像をそれぞれ保持して最終的に記録媒体の一例としての記録用紙５に二次転写する二次転写位置まで搬送する中間転写装置２０と、中間転写装置２０の二次転写位置に供給すべき所要の記録用紙５を収容して搬送する給紙装置５０と、中間転写装置２０で二次転写された記録用紙５上のトナー像を定着させる本実施の形態に係る定着装置４０等を備えている。なお、図中の１ａは画像形成装置１の本体を示し、この本体１ａは支持構造部材、外装カバー等で形成されている。また、図中の破線は、本体１ａ内において記録用紙５が搬送される主な搬送経路を示す。

作像装置１０は、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）及びブラック（Ｋ）の４色のトナー像をそれぞれ専用に形成する４つの作像装置１０Ｙ，１０Ｍ，１０Ｃ，１０Ｋで構成されている。これらの４つの作像装置１０（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）は、本体１ａの内部空間において１列に並べた状態となるよう配置されている。

４つの作像装置１０（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）は、図１に示されるように、像保持体の一例としての回転する感光体ドラム１１を備えており、この感光体ドラム１１の周囲に、次のようなトナー像形成手段の一例としての各装置が主に配置されている。主な装置とは、感光体ドラム１１の像形成が可能な周面（像保持面）を所要の電位に帯電させる帯電装置１２と、感光体ドラム１１の帯電された周面に画像の情報（信号）に基づく光ＬＢを照射して電位差のある（各色用の）静電潜像を形成する露光装置１３と、その静電潜像を対応する色（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）の現像剤４の圧力流動性トナーで現像してトナー像にする現像装置１４（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）と、その各トナー像を中間転写装置２０に転写する一次転写手段の一例としての一次転写装置１５（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）と、一次転写後における感光体ドラム１１の像保持面に残留して付着するトナー等の付着物を取り除いて清掃するドラム清掃装置１６（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）等である。なお、この実施の形態では、トナー像形成手段として４つの作像装置１０（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）と中間転写装置２０を備えたものを用いている。

感光体ドラム１１は、接地処理される円筒状又は円柱状の基材の周面に感光材料からなる光導電性層（感光層）を有する像保持面を形成したものである。この感光体ドラム１１は、図示しない回転駆動装置から動力が伝達されて矢印Ａで示す方向に回転するように支持されている。

帯電装置１２は、感光体ドラム１１に接触しない状態で配置されるコロナ放電器等の非接触型の帯電装置で構成される。帯電装置１２は、その放電部材に対して帯電用電圧が供給される。帯電用電圧としては、現像装置１４が反転現像を行うものである場合、その現像装置１４から供給されるトナーの帯電極性と同じ極性の電圧又は電流が供給される。なお、帯電装置１２としては、感光体ドラム１１に接触した状態で配置される帯電ローラ等の接触型の帯電装置を用いても勿論よい。

露光装置１３は、画像形成装置１に入力される画像の情報に応じて構成される光（矢付き点線）ＬＢを、帯電された後の感光体ドラム１１の周面に対して照射して静電潜像を形成するものである。露光装置１３は、図１に示されるように、半導体レーザ１３０が画像データに応じて変調され、この半導体レーザ１３０からは、レーザ光ＬＢが画像データに応じて出射される。この半導体レーザ１３０から出射されたレーザ光ＬＢは、反射ミラー１３１，１３２を介して回転多面鏡１３３によって偏向走査され、図示しないｆ−θレンズで走査角度に応じて焦点距離が調整された状態で、複数枚の反射ミラー１３４，１３５を介して感光体ドラム１１の軸方向に沿って走査露光される。露光装置１３には、潜像形成時になると画像形成装置１に任意の手段で入力されるフルカラー又は白黒に対応した画像の情報（信号）が送信される。

現像装置１４（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）はいずれも、開口部と現像剤４の収容室が形成された筐体の内部に、現像剤４を保持して感光体ドラム１１と向き合う現像領域まで搬送する現像ロールと、現像ロールの表面に現像剤４の薄層を形成する図示しない層厚規制部材などを配置して構成したものである。この現像装置１４には、その現像ロールと感光体ドラム１１の間に現像用電圧が図示しない電源装置から供給される。さらに、４色の現像剤４（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）としては、圧力流動性トナーとしての非磁性トナーと磁性キャリアを含む二成分現像剤が使用される。また、４色の現像剤４（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）としては、非磁性又は磁性トナーのみからなる一成分現像剤を使用しても良い。

ここで、圧力流動性トナーとしては、例えば、特開２０１１−１４５３３号公報に記載された静電荷現像用トナーを用いることができる。この圧力流動性トナーは、酸化重合性単量体及び／又はエチレン性不飽和基を有する重合体、並びに、無機粒子と複合化された酸化重合触媒を含有し、かつ、フローテスター印加圧力１０ＭＰａにおいて粘度が１０⁴Ｐａ・ｓになるときの温度Ｔ（１０ＭＰａ）と、フローテスター印加圧力１ＭＰａにおいて粘度が１０⁴Ｐａ・ｓになるときの温度Ｔ（１ＭＰａ）とが、
２０℃≦Ｔ（１ＭＰａ）−Ｔ（１０ＭＰａ）
なる式を満たすように、圧力が加わることで流動性を生じるものである。

この実施の形態において、定着時の圧力によって記録用紙５上でトナーが押しつぶされ、トナーの一領域に存在する酸化重合性単量体及び／又は不飽和結合を有する重合体と、トナーの他の一領域に存在する無機粒子と複合化された酸化重合触媒とが溶解混合されてトナーの流動性が向上するとともに、接触することで、重合又は架橋反応が生じ、トナー像全体が硬化されるものである。

ここで、トナーに含まれる酸化重合性単量体及び／又は不飽和結合を有する重合体と、無機粒子と複合化された酸化重合触媒とは、転写・定着前のトナー粒子の状態では互いに接触せずに酸化重合を生じず、トナーが定着されることによりこれらが初めて接触し、徐々に酸化重合を生じてトナーの定着性が向上するものであることが好ましい。従って、酸化重合性単量体及び／又は不飽和結合を有する単量体と、無機粒子と複合化された酸化重合触媒とは、異なる領域に存在することが好ましい。

このようなトナーとしては、トナーがコアシェル構造を有する場合には、コアに酸化重合性単量体及び／又はエチレン性不飽和基を有する重合体を含有し、シェルに無機粒子と複合化された酸化重合触媒を含有する態様が例示される。また、これとは逆に、シェルに酸化重合性単量体及び／又はエチレン性不飽和結合を有する重合体を含有し、コアに無機粒子と複合化された酸化重合触媒を有する態様のものであっても良い。さらに、この実施の態様のトナーは、前記の態様に限定されるものではなく、トナー母粒子が酸化重合性単量体及び／又はエチレン性不飽和基を有する重合体を含有し、トナーの外添剤として、無機粒子と複合化された酸化重合触媒を有する態様でもよく、無機粒子との複合化された酸化重合触媒は、トナーの外殻及び／又は表面に含有されていてもよい。

ところで、トナー母粒子が酸化重合性単量体及び／又はエチレン性不飽和基を有する重合体を含有し、単にトナーの外添剤として酸化重合触媒を配置する方法は、一見容易であるように見えるが、触媒化合物が通常の外添剤のように数ｎｍ〜数１００ｎｍレベルまで微粒子化されることは必ずしも良いことではないこと、このために定着時の流動混合における均一性が阻害されることから効果が十分といえない場合があった。

このため、シリカやチタニアなど通常外添剤に使われる無機粒子表面に酸化重合触媒を担持させて酸化重合触媒を無機粒子と複合化し、トナー表面に均一に配置することが有効である。なお、無機粒子と複合化された酸化重合触媒とは、無機粒子の表面に物理的に吸着した酸化重合触媒、酸化重合触媒の表面を無機粒子で被覆した粒子、それらの両方を併用した粒子などを含むものである。

また、一次転写装置１５（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）は、感光体ドラム１１の周囲に中間転写ベルト２１を介して接触し回転するとともに一次転写用電圧が供給される一次転写ロールを備えた接触型の転写装置である。一次転写用電圧としては、トナーの帯電極性と逆の極性を示す直流の電圧が図示しない電源装置から供給される。

ドラム清掃装置１６は、一次転写後の感光体ドラム１１の周面に接触する清掃ブラシ等を用いて残留トナー等の付着物を取り除いて清掃する。尚、ドラム清掃装置１６としては、残留トナーの流動性を阻害しないものを用いるのが望ましい。

中間転写装置２０は、各作像装置１０（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）の下方の位置に存在するように配置される。この中間転写装置２０は、感光体ドラム１１と一次転写装置１５（一次転写ロール）の間となる一次転写位置を通過しながら矢印Ｂで示す方向に回転する中間転写ベルト２１と、中間転写ベルト２１をその内面から所望の状態に保持して回転自在に支持する複数のベルト支持ロール２２〜２９と、ベルト支持ロール２８に支持されている中間転写ベルト２１の外周面（像保持面）側に配置されて中間転写ベルト２１上のトナー像を記録用紙５に二次転写させる二次転写手段の一例としての二次転写装置３０と、二次転写装置３０を通過した後に中間転写ベルト２１の外周面に残留して付着するトナー、紙粉等の付着物を取り除いて清掃するベルト清掃装置３１とで主に構成されている。

中間転写ベルト２１としては、例えばポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂等の合成樹脂にカーボンブラック等の抵抗調整剤などを分散させた材料で製作される無端状のベルトが使用される。また、ベルト支持ロール２２は図示しない駆動装置によって回転駆動される駆動ロールとして構成され、ベルト支持ロール２３，２４，２５は中間転写ベルト２１の走行位置などを保持する従動ロールとして構成され、ベルト支持ロール２６は中間転写ベルト２１に張力を付与する張力付与ロールとして構成され、ベルト支持ロール２７は二次転写前の中間転写ベルト２１の走行位置などを規制する転写前ロールとして構成され、ベルト支持ロール２８は二次転写のバックアップロールとして構成され、ベルト支持ロール２９はクリーニング前の中間転写ベルト２１の走行位置などを保持する従動ロールとして構成されている。

二次転写装置３０は、図１に示されるように、中間転写装置２０におけるベルト支持ロール２８に支持されている中間転写ベルト２１の外周面部分である二次転写位置において、中間転写ベルト２１の周面に接触して回転するとともに二次転写用電圧が供給される二次転写ロールを備えた接触型の転写装置である。また、二次転写ロール３０又は中間転写装置２０の支持ロール２８には、トナーの帯電極性と逆極性又は同極性を示す直流の電圧が二次転写用電圧として供給される。

ベルト清掃装置３１は、二次転写後の中間転写ベルト２１の周面に接触するように配置されて残留トナー等の付着物を取り除いて清掃するものである。尚、ベルト清掃装置３１としては、残留トナーの流動性を阻害しないものを用いるのが望ましい。

定着装置４０は、記録用紙５の導入口及び排出口が形成された筐体４１の内部に、矢印で示す方向に回転する加圧定着方式による定着部材の一例としての定着ロール４２と、この定着ロール４２の軸方向にほぼ沿う状態で所定の圧力で接触して従動回転する加圧部材の一例としての加圧ロール４３などを配置して構成されたものである。この定着装置４０では、定着ロール４２と加圧ロール４３が接触する接触部が所要の圧力定着処理（加圧）を行う定着処理部になる。尚、定着装置４０の構成については、後に詳述する。

給紙装置５０は、中間転写装置２０及び二次転写装置３０の下方側の位置に存在するように配置される。この給紙装置５０は、所望のサイズ、種類等の記録用紙５を積載した状態で収容する単数（又は複数）の用紙収容体５１と、用紙収容体５１から記録用紙５を１枚ずつ送り出す送出装置５２とで主に構成されている。用紙収容体５１は、例えば、筐体１ａの正面（使用者が操作時に向き合う側面）側に引き出すことができるように取り付けられている。

記録用紙５としては、例えば、電子写真方式の複写機、プリンタ等に使用される普通紙、ＯＨＰシート等が挙げられる。また、記録用紙５としては、普通紙やＯＨＰシート等以外に、表面に微少な凹凸を有するラフ紙等の表面が粗い用紙が用いられる。なお、記録用紙５としては、その表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ０６０１測定法における１０点平均表面粗さで５〜１３μｍ程度の用紙を用いることができる。

給紙装置５０と二次転写装置３０との間には、給紙装置５０から送り出される記録用紙５を二次転写位置まで搬送する複数の用紙搬送ロール対５３〜５６や図示しない搬送ガイドで構成される給紙搬送路５７が設けられている。給紙搬送路５７において二次転写位置の直前の位置に配置される用紙搬送ロール対５６は、例えば記録用紙５の搬送時期を調整するロール（レジストロール）として構成されている。また、二次転写装置３０と定着装置４０との間には、二次転写装置３０から送り出される二次転写後の記録用紙５を定着装置４０まで搬送するための２連のベルト形態の用紙搬送装置５８，５９が設けられている。さらに、画像形成装置本体１ａに形成される用紙の排出口に近い部分には、定着装置４０から送り出される定着後の記録用紙５を本体１ａの外部の用紙排出部６０に排出するための用紙排出ロール対６１が設けられている。

＜画像形成装置の動作＞
以下、画像形成装置１による基本的な画像形成動作について説明する。

ここでは、前記４つの作像装置１０（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）を使用して、４色（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）のトナー像を組み合わせて構成されるフルカラー画像を形成する動作を説明する。

画像形成装置１は、画像形成動作（プリント）の要求の指令情報を受けると、４つの作像装置１０（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）、中間転写装置２０、二次転写装置３０、定着装置４０等が始動する。

そして、各作像装置１０（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）においては、まず各感光体ドラム１１が矢印Ａで示す方向に回転し、各帯電装置１２が各感光体ドラム１１の表面を所要の極性（実施の形態１ではマイナス極性）及び電位にそれぞれ帯電させる。続いて、露光装置１３が、帯電後の感光体ドラム１１の表面に対し、画像形成装置１に入力される画像の情報を各色成分（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）に変換して得られる画像の信号に基づいて発光される光ＬＢを照射し、その表面に所要の電位差で構成される各色成分の静電潜像をそれぞれ形成する。

続いて、各作像装置１０（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）が、感光体ドラム１１に形成された各色成分の静電潜像に対し、所要の極性（マイナス極性）に帯電された対応する色（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）のトナーを現像ロールからそれぞれ供給して静電的に付着させて現像を行う。この現像により、各感光体ドラム１１に形成された各色成分の静電潜像は、その対応する色のトナーでそれぞれ現像された４色（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）のトナー像として顕像化される。

続いて、各作像装置１０（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）の感光体ドラム１１上に形成された各色のトナー像が一次転写位置まで搬送されると、一次転写装置１５が、その各色のトナー像を中間転写装置２０の矢印Ｂで示す方向に回転する中間転写ベルト２１に対して順番に重ね合わせるような状態で一次転写させる。

また、一次転写が終了した各作像装置１０では、ドラム清掃装置１６が付着物を除去して感光体ドラム１１の表面を清掃する。これにより、各作像装置１０は、次の作像動作が可能な状態にされる。

続いて、中間転写装置２０では、中間転写ベルト２１の回転により一次転写されたトナー像を保持して二次転写位置まで搬送する。一方、給紙装置５０では、作像動作に合わせて所要の記録用紙５を給紙搬送路５７に送り出す。給紙搬送路５７では、レジストロールとしての用紙搬送ロール対５６が記録用紙５を転写時期に合わせて二次転写位置に送り出して供給する。

二次転写位置においては、二次転写装置３０が、中間転写ベルト２１上のトナー像を記録用紙５に一括して二次転写させる。また、二次転写が終了した中間転写装置２０では、ベルト清掃装置３１が、二次転写後の中間転写ベルト２１の表面に残留したトナー等の付着物を取り除いて清掃する。

続いて、トナー像が二次転写された記録用紙５は、中間転写ベルト２１と二次転写ロール３０から剥離された後に用紙搬送装置５８，５９により定着装置４０まで搬送される。定着装置４０では、回転する定着ロール４２と加圧ロール４３との間の接触部に二次転写後の記録用紙５を導入して通過させることにより、必要な圧力定着処理（加圧）をして未定着の圧力流動性トナーからなるトナー像を記録用紙５に圧力定着させる。最後に、定着が終了した後の記録用紙５は、その片面への画像の形成を行うだけの画像形成動作のときは、用紙排出ロール対６１により、例えば、本体１ａの外部に設置された用紙排出部６０に排出される。

以上の動作により、４色のトナー像を組み合わせて構成されるフルカラー画像が形成された記録用紙５が出力される。

＜定着装置の構成＞
図２乃至図４はこの実施の形態１に係る定着装置を示す構成図である。

定着装置４０は、大別して、非加熱で圧力のみの定着により記録用紙５上の圧力流動性トナーからなる未定着トナー像Ｔを加圧定着する定着部材（圧力定着用回転体）の一例としての定着（圧力定着）ロール４２と、記録用紙５を定着ロール４２に圧接（加圧）する加圧部材の一例としての加圧ロール４３とを備えている。この定着装置４０では、定着ロール４２と加圧ロール４３が接触（圧接）する接触部が記録用紙５に対して所要の圧力定着処理（加圧のみ）を行う定着処理部Ｎ（ニップ部）となる。

定着ロール４２は、図４に示されるように、鋼鉄などの鉄やステンレスあるいはアルミニウム等の金属によって円柱状又は円筒形状に形成された金属製基体の一例としての芯金部材４２１と、芯金部材４２１の表面に予め定められた厚さに被覆されたシリコーンゴム等の弾性体からなる弾性体層の一例としての支持層４２２とを備えている。なお、定着ロール４２は、非加熱による圧力定着を行うものであり、その内部又は外部に当該定着ロール４２を加熱する加熱源を備えていない。

定着ロール４２の芯金部材４２１としては、例えば、表面が焼き入れされた一般構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）に硬質クロムメッキ処理を施したものが用いられる。定着ロール４２の大きさは、例えば、有効長３１０ｍｍ、外径φ３５ｍｍに設定されている。定着ロール４２の芯金部材４２１の材質は、圧力定着に用いられる荷重に耐え得るものであれば良く、一般構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）に限定されない。

定着ロール４２は、軸方向に沿った両端部にそれぞれ設けられた回転軸４２４を備えている。定着ロール４２の回転軸４２４は、図２に示されるように、定着装置４０の断面矩形の枠体状に形成された装置フレーム４４に軸受４５を介して回転自在に支持されている。

また、定着ロール４２の支持層４２２は、例えば、３０〜５００μｍ程度の厚さに被覆されたシリコーンゴム等の弾性体からなる。支持層４２２は、その弾性率が記録用紙５としての紙よりも低く設定されている。紙の弾性率は、温度や湿度等にも依存するが、常温常湿環境（２０℃、５０％）下において０．２５〜１０ＧＰａ程度である。これに対して、支持層４２２の弾性率は、１０〜５００ＭＰａ程度であって且つ紙の弾性率よりも低い値に設定されている。

一方、加圧ロール４３は、例えば、鋼鉄などの鉄やステンレスあるいはアルミニウム等の金属によって円柱状又は円筒形状に形成されたロールからなる。加圧ロール４３としては、例えば、定着ロール４２の芯金部材４２１と同様、表面が焼き入れされた一般構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）に硬質クロムメッキ処理を施したものが用いられる。加圧ロール４３の大きさは、例えば、有効長３１０ｍｍ、外径φ３５ｍｍに設定されている。定着ロール４２と加圧ロール４３は、ロールの中央部を回転中心として１．７９度の角度で互いに交差している。

加圧ロール４３は、図２に示されるように、その中心に軸方向に沿って貫通した状態で配置された固定軸４６を備えている。加圧ロール４３は、その軸方向に沿った両端部にそれぞれ配置された軸受４７を介して固定軸４６に回転自在に取り付けられている。なお、加圧ロール４３は、固定軸４６に対して回転自在となるよう、加圧ロール４３と固定軸４６との間には、図示しない間隙が設けられている。また、図４では、便宜上、固定軸４６が省略されている。

加圧ロール４３の固定軸４６は、図３に示されるように、装置フレーム４４の両側面にそれぞれ配置された可動アーム４８に支持されている。可動アーム４８は、装置フレーム４４に対して揺動軸４９を中心にして揺動自在に取り付けられている。可動アーム４８は、揺動軸４９から加圧ロール４３を介して対向する位置に延在するよう配置された外側の可動アーム４８ａと内側の可動アーム４８ｂとから二重に構成されている。加圧ロール４３は、二重構造の可動アーム４８のうち、外側の可動アーム４８ａに支持されている。また、可動アーム４８の先端部には、加圧ロール４３を定着ロール４２に加圧（圧接）させるための弾性部材の一例としてのコイルバネ７０が、外側の可動アーム４８ａと内側の可動アーム４８ｂとの間に介在するよう配置されている。図中、符号７１は内側の可動アーム４８ｂに固定した状態で設けられ、コイルバネ７０を貫通して外側の可動アーム４８ａと内側の可動アーム４８ｂを接離する方向に移動自在に連結する連結ピンを示している。

さらに、内側の可動アーム４８ｂの先端部には、円筒形状のロールからなるカムフォロワー７２が回転自在に取り付けられている。また、装置フレーム４４には、カムフォロワー７２と対向する位置に偏心カム７３が回転可能に配置されている。偏心カム７３は、図２に示されるように、装置フレーム４４に軸受７４を介して回転自在に設けられた回転軸７５の両端部に固定した状態で取り付けられている。また、回転軸７５の一端部には、当該回転軸７５を所要の角度にわたり回転駆動する直流モータやギア等からなる駆動手段７６を備えている。そして、定着装置４０は、駆動手段７６により回転軸７５を所要の角度にわたり回転駆動することで、偏心カム７３によってカムフォロワー７２を備えた内側の可動アーム４８ｂを上方へ移動させるとともに、コイルバネ７０の弾性力により外側の可動アーム４８ａを上方へ移動させることで、加圧ロール４３を定着ロール４２に所要の圧力で圧接させる。また、非定着時には、偏心カム７３を回動させることにより、内側の可動アーム４８ｂを下方へ移動させるとともに、コイルバネ７０の弾性力を解除して外側の可動アーム４８ａを下方へ移動させ、加圧ロール４３を定着ロール４２から離間させることで加圧状態を解除する。

加圧ロール４３を定着ロール４２に圧接させる加圧力（加圧荷重）は、圧力流動性トナーの定着性にも依存するが、例えば、片側で４０〜２００（ｋｇｆ／ｃｍ^２）程度に設定される。ただし、加圧荷重は、これに限定されるものではなく、４０（ｋｇｆ／ｃｍ^２）未満、又は２００（ｋｇｆ／ｃｍ^２）を超える値に設定しても良い。特に、圧力流動性トナーとして、特開２０１１−１４５３３号公報に記載された圧力定着性に優れた静電荷現像用トナーを用いた場合には、加圧力（加圧荷重）を４０（ｋｇｆ／ｃｍ^２）未満に設定することが可能となる。

図５は定着ロール４２と加圧ロール４３によって記録用紙５の一例としてのラフ紙を加圧した状態を模式的に示したものである。

ラフ紙５は、図５（ａ）に示されるように、表面に深さＤが５〜２０μｍ程度、長さＬが５０〜２００μｍ程度の凹部５ａを略一様に有し、表面に凹凸がある粗い用紙である。一方、トナー像を形成するトナー粒子の外径は、小粒径化の傾向にあり、例えば、体積平均粒径が３〜１０μｍ程度に設定されている。

定着装置４０において、定着ロール４２として加圧ロール４３と同様に表面が一般構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）からなるものを用いた場合には、圧力定着時、ラフ紙５の凹部５ａに転写されたトナー粒子に対して十分な定着圧力を印加することが困難となり、定着不良に起因した画像抜けが発生する虞れがある。

ラフ紙５に対する画像抜けの発生を抑制するには、定着ロール４２と加圧ロール４３との加圧荷重を増加させることが考えられる。しかし、定着ロール４２と加圧ロール４３との加圧荷重を過大に増加させた場合には、定着時の荷重によりラフ紙５表面の凸部が潰され、ラフ紙５に半透明化などを含めた変形が発生するという新たな技術的課題を生じる。

そこで、この実施の形態では、定着ロール４２として芯金部材４２１の外周に被覆された弾性体からなる支持層４２２を有するものを採用し、支持層４２２として記録用紙５の弾性率よりも低い弾性率を有する弾性体からなるものを用いている。

更に説明すると、この実施の形態では、定着ロール４２として芯金部材４２１の外周に被覆されたシリコーンゴムからなる支持層４２２を設け、当該支持層４２２の弾性率をラフ紙５よりも低く設定している。

本発明者らは、定着ロール４２の支持層４２２の弾性率と記録用紙５としてのラフ紙の弾性率がどのような関係を満たせば、定着圧力を過大に増加させることなく画像抜けの発生を抑制することが可能であるかを明らかにするため、次のような有限要素法を用いた数値解析を行った。

ラフ紙５は、図５（ａ）に示されるように、全体として１００μｍの厚さを有し、表面に深さＤ＝１１μｍ及び長さＬ＝１００μｍの凹部５ａを有するものとした。また、ラフ紙５の繊維の弾性率は、相対的に低い値である２５６ＭＰａに設定した。

一方、定着ロール４２としては、芯金部材４２１の表面に弾性体からなる支持層４２２を有するものとした。支持層４２２の厚さは１００μｍに設定した。また、支持層４２２の弾性率は、弾性体を構成するシリコーンゴム等の配合比や重合率等を調整することを考慮して、３０ＭＰａ、６０ＭＰａ、９０ＭＰａ、２００ＭＰａ、３００ＭＰａの５種類に設定した。なお、定着ロール４２の芯金部材４２１及び加圧ロール４３は、表面が焼き入れされた一般構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）に硬質クロムメッキ処理を施したものからなり、変形しない平面とした。

このような定着装置４０において、定着ロール４２と加圧ロール４３を圧接する加圧荷重Ｐを０〜１００（ｋｇｆ／ｃｍ^２）まで変化させた場合における定着ロール４２の支持層４２２及びラフ紙５の凹部５ａの形状変化を有限要素法により求めた。なお、有限要素法の計算にあたっては、米国のＨＫＳ社により開発された有限要素解析を行うプロプライエタリーソフトウエアである“ＡＢＡＱＵＳ”を使用した。

図６は上記有限要素解析を用いて定着ロールの支持層の変形量及び定着ロールの変形した支持層がラフ紙の凹部の底面に与える圧力を求めた結果を示すグラフである。尚、図６の左側の縦軸は、定着ロール４２の変形した支持層４２２とラフ紙５の凹部５ａとの間隙Ｇａｐ（μｍ）を、右側の縦軸は、ラフ紙５の凹部５ａに定着ロール４２の変形した支持層４２２が及ぼす圧力（グラフ中の破線）（ｋｇｆ／ｃｍ^２）を、横軸は、定着ロール４２と加圧ロール４３の加圧荷重Ｐ（ｋｇｆ／ｃｍ^２）をそれぞれ示している。

この図６から明らかなように、定着ロール４２の支持層４２２の弾性率が３０ＭＰａ、６０ＭＰａ、９０ＭＰａとラフ紙５の弾性率である２５６ＭＰａに対して１／２以下と大幅に小さい場合には、定着ロール４２の支持層４２２の弾性率が３０ＭＰａのとき、加圧荷重Ｐが６０ｋｇｆ／ｃｍ^２で定着ロール４２の支持層４２２が弾性変形してラフ紙５の凹部５ａの底面に接触し、定着ロール４２の支持層４２２の表面とラフ紙５の凹部５ａの底面との間隙Ｇａｐが０μｍとなり、ラフ紙５の凹部５ａの底面に転写されたトナー粒子に対して加圧力を印加することができることが判る。そして、加圧荷重Ｐが６０ｋｇｆ／ｃｍ^２を超えると、定着ロール４２の支持層４２２がラフ紙５の凹部５ａの底面を押圧する荷重（グラフ中の破線）が直線状に増加し、加圧荷重Ｐが１００ｋｇｆ／ｃｍ^２に達すると、定着ロール４２の支持層４２２がラフ紙５の凹部５ａの底面を押圧する荷重が約３７ｋｇｆ／ｃｍ^２となる。

また、定着ロール４２の支持層４２２の弾性率が６０ＭＰａの場合においては、加圧荷重が１００ｋｇｆ／ｃｍ^２で定着ロール４２の支持層４２２の表面とラフ紙５の凹部５ａの底部との間隙が０μｍとなり、定着ロール４２の支持層４２２の弾性率が９０ＭＰａのときには、加圧力が１２０ｋｇｆ／ｃｍ^２で定着ロール４２の支持層４２２の表面とラフ紙５の凹部５ａの底部との間隙が０μｍとなることが判る。

＜定着装置の動作＞
以下、定着装置の動作について説明する。

画像形成装置１が画像形成動作（プリント）の要求の指令情報を受けると、４つの作像装置１０（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）等とともに定着装置４０が始動する。

定着装置４０は、図２に示されるように、駆動手段７６を駆動することにより、加圧ロール４３を定着ロール４２に対して所要の加圧力（加圧荷重）で圧接させるとともに、定着ロール４２を回転駆動する。このとき、加圧荷重Ｐは、例えば、１００（ｋｇｆ／ｃｍ^２）に設定される。

この実施の形態に係る定着装置４０では、定着ロール４２が芯金部材４２１の表面に支持層４２２を有しており、当該支持層４２２の弾性率がラフ紙５の弾性率よりも低く設定されている。そのため、定着装置４０では、図４に示されるように、定着ロール４２と加圧ロール４３とで形成される定着ニップ部Ｎに圧力流動性トナーからなる未定着トナー像Ｔを保持したラフ紙５を通過させる際に、定着ロール４２の支持層４２２がラフ紙５の凹部５ａに沿って弾性変形する。その結果、ラフ紙５の凹部５ａの底部に転写された圧力流動性トナーからなるトナー粒子に対しては、図６に示されるような定着圧力を印加することができ、ラフ紙５の凹部５ａに転写されたトナー粒子の定着不良に起因した画像抜けの発生が抑制される。また、定着ロール４２と加圧ロール４３を圧接させる加圧力（加圧荷重）は、１００ｋｇｆ／ｃｍ^２程度で良く、従来の圧力定着方式を採用した定着装置における加圧荷重である２００〜７００ｋｇｆ／ｃｍ^２と比較して小さな加圧力でよく、ラフ紙が定着圧力により変形することが抑制される。

[実施の形態２]
図７は、実施の形態２に係る定着装置を示すものである。

実施の形態２に係る定着装置４０は、図７に示されるように、定着ロール４２が支持層４２２の表面に被覆された被覆層の一例としての表面層４２３を有している。表面層４２３は、記録用紙５としてのラフ紙より弾性率が高く、且つ表面が粗いラフ紙５の凹部５ａの深さＤよりも厚さが薄く設定されている。

更に説明すると、定着ロール４２は、図７に示されるように、鋼鉄などの鉄やステンレスあるいはアルミニウム等の金属によって円柱状又は円筒形状に形成された金属製基体の一例としての芯金部材４２１と、芯金部材４２１の表面に予め定められた厚さに被覆されたシリコーンゴム等の弾性体からなる支持層４２２と、支持層４２２の表面に被覆されたポリイミド、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）等からなる表面層４２３とから構成されている。なお、支持層４２２と表面層４２３とは、図示しない接着層を介して接着されていても良い。

表面層４２３としてのポリイミドの弾性率は、２〜７ＧＰａ程度であり、ＰＦＡの弾性率（引張弾性率）は、０．３１〜０．３５ＧＰａ程度であり、ＰＴＦＥの弾性率（引張弾性率）は、０．４０〜０．６０ＧＰａ程度であり、いずれもラフ紙５の弾性率２５６ＭＰａよりも大きい。また、表面層４２３の厚さは、ラフ紙５の凹部５ａの深さＤよりも薄く、例えば、２〜１０μｍ程度に設定されている。

なお、表面層４２３を形成する材料の弾性率は、ＪＩＳ Ｋ７１６１，７１６２「プラスチック―引張特性の試験方法」に準拠して測定した値を用いた。

本発明者らは、定着ロール４２の支持層４２２及び表面層４２３の厚さ並びに弾性率がどのような条件を満たせば、定着ロール４２に対するトナー付着を抑制することが可能であるかを明らかにするため、次のような有限要素法を用いた第２の数値解析を行った。

ラフ紙５は、図８に示されるように、１００μｍの厚さを有し、表面に深さＤ＝１１μｍ及び長さＬ＝１００μｍの凹部５ａを有するものとした。また、ラフ紙５の繊維の弾性率は、相対的に低い値である２５６ＭＰａに設定した。さらに、ラフ紙５は、その表面に厚さ１０μｍのトナー層Ｔを一様に有するものとした。また、定着ロール４２は、支持層４２２の弾性率が１４ＭＰａ、厚さが５０μｍ、表面層４２３の弾性率が２ＧＰａ、厚さが２μｍとした。なお、トナー層Ｔの厚さは１０μｍ、トナーの弾性率は５０ＭＰａに設定した。

このような定着装置４０において、定着ロール４２と加圧ロール４３を圧接する加圧荷重Ｐを０〜１００（ｋｇｆ／ｃｍ^２）まで変化させた場合における表面層４２３とラフ紙５の凹部５ａの底部に位置するトナー像Ｔとの間隔と、ラフ紙５の凹部５ａ内外におけるトナー層に対する加圧荷重を有限要素法により求めた。

図９は上記有限要素解析を用いて表面層４２３とラフ紙５の凹部５ａの底部に位置するトナー像Ｔとの間隔と、ラフ紙５の凹部５ａ内外におけるトナー層に対する加圧荷重を求めた結果を示すグラフである。

この図９から、図６と同様に定着ロール４２の表面層４２３とラフ紙５の凹部５ａの底部との間隙が０となったときの加圧力（加圧荷重）（１）と、ラフ紙５の凹部５ａ以外の表面に位置するトナー層Ｔに対する加圧荷重とラフ紙５の凹部５ａの底部に位置するトナー層Ｔに対する加圧荷重との圧力差（２）とを求めた。また、この間隙が０となったときの加圧力（加圧荷重）と、ラフ紙５の凹部５ａの内外におけるトナー層に対する加圧荷重の圧力差とを、定着ロール４２の支持層４２２の厚さ及び弾性率、並びに表面層４２３の厚さ及び弾性率を変化させて求めた。なお、変化させないパラメータは、以下に固定して計算を行った。支持層４２２の弾性率１４ＭＰａ、厚さ５０μｍ、表面層４２３の弾性率２ＧＰａ、厚さ２μｍとした。

図１０は上記の如く、定着ロール４２の支持層４２２の厚さ及び弾性率、並びに表面層４２３の厚さ及び弾性率を変化させた場合における、間隙が０となったときの加圧力（加圧荷重）と、ラフ紙の凹部の内外におけるトナー層に対する加圧荷重の圧力差とを求めた結果（グラフ）をそれぞれ示した図表である。

この図１０の左端の上下段に示すグラフから明らかなように、定着ロール４２の支持層４２２は、厚さが２０μｍ、５０μｍ、１００μｍと厚くなるに従って、間隙が０となったときの加圧力（加圧荷重）が低下するとともに、ラフ紙５の凹部５ａの内外におけるトナー層Ｔに対する加圧荷重の圧力差が減少し、定着性が良好となるとともに、ラフ紙５の凹部５ａ以外におけるトナー層Ｔに対する加圧荷重が低下し、トナーオフセットの発生が抑制されることが判る。

また、図１０の左端から２番目の上下段に示すグラフから明らかなように、定着ロール４２の支持層４２２は、弾性率が５ＭＰａ、１０ＭＰａ、２０ＭＰａと増加するに従って、間隙が０となったときの加圧力（加圧荷重）が増加するとともに、ラフ紙５の凹部５ａの内外におけるトナー層に対する加圧荷重の圧力差も増加し、定着性が低下するとともに、ラフ紙５の凹部５ａ以外におけるトナー層Ｔに対する加圧荷重が増大し、トナーオフセットが発生し易くなる傾向にあることが判る。

一方、図１０の右端から２番目の上下段に示すグラフから明らかなように、定着ロール４２の表面層４２２は、厚さが２μｍ、５μｍ、１２μｍと厚くなるに従って、間隙が０となったときの加圧力（加圧荷重）が増加するとともに、ラフ紙５の凹部５ａの内外におけるトナー層Ｔに対する加圧荷重の圧力差が増加し、定着性が低下するとともに、ラフ紙５の凹部５ａ以外におけるトナー層Ｔに対する加圧荷重が増加し、トナーオフセットが発生し易くなる傾向にあることが判明した。

また、図１０の右端の上下段に示すグラフから明らかなように、定着ロール４２の表面層４２３は、弾性率が３００ＭＰａ、２０００ＭＰａと増加しても、間隙が０となったときの加圧力（加圧荷重）及びラフ紙５の凹部５ａの内外におけるトナー層Ｔに対する加圧荷重の圧力差が僅かに増加する傾向がみられるものの変化は小さく、定着性並びにトナーオフセットに与える影響は小さいことが判る。

実験例
次に、本発明者らは、定着ロール４２の表面状態によってトナーオフセットの発生度合いがどのように変化するかを確認する実験を行った。

図１１は実験例に用いた装置を示す模式図である。

符号８１は加圧ロール４３としての金属製の台座を示すものであり、台座８１の表面にラフ紙５を載せ、当該ラフ紙５の表面にトナー像としてランダムに圧力流動性トナーのトナー粒子Ｔを散布した。そして、ラフ紙５の表面にガラスコーティングを施したシートの表面にＰＴＦＥを積層したものを定着ロール４２の表面層４２３として介在させ、当該ＰＴＦＥからなる表面層４２３の上部に定着ロール４２の支持層４２２として３１ＭＰａの弾性率を有するシリコーンゴム製のシートを積層して、シリコーンゴム製シート４２３の上面から１００（ｋｇｆ／ｃｍ^２）の加圧力Ｐをもって加圧して、圧力流動性トナーＴをラフ紙５の表面に圧力定着する実験を行った。そして、ラフ紙５に定着されたトナーＴ及び定着ロール４２側に付着したオフセットトナーの様子を光学顕微鏡を用いて観察した。

なお、比較例として、ＰＴＦＥからなる表面層４２３を有しない支持層４２２のみからなるものを用いて同様の実験を行った。

図１２は上記実験例の結果を示す顕微鏡写真の模式図である。

この図１２の右側の上下段から明らかなように、定着ロール４２の表面層４２３としてガラスコーティングを施したシートの表面にＰＴＦＥを積層したものを用いた場合には、圧力流動性トナーＴの殆どがラフ紙５の表面に圧力定着され（同図上欄）、定着ロール４２の表面層４２３（加圧部材）に付着した圧力流動性トナーＴは、極僅かであった（同図下欄）。

これに対して、定着ロール４２の表面層４２３としてガラスコーティングを施したシートの表面にＰＴＦＥを積層したものを用いなかった場合には、図１２の左側の上下段から明らかなように、圧力流動性トナーＴの殆どが定着ロール４２の支持層４２２（加圧部材）に付着し（同図下欄）、ラフ紙５の表面に圧力定着された圧力流動性トナーＴは、極僅かであった（同図上欄）。

これは、定着ロール４２の支持層４２２の表面にラフ紙５より弾性率が高い表面層４２３を設けることにより、圧力流動性トナーＴのラフ紙５に対する付着力が圧力流動性トナーＴの定着ロール４２の表面層４２３に対する付着力よりも大きくなった結果、圧力流動性トナーＴの殆どがラフ紙５に定着されたものと考えられる。

なお、本発明者らは、トナーの付着性に対して、表面層４２３の表面エネルギーよりも表面層４２３の弾性率の寄与が大きいことを確認している。

このように、上記実施の形態２によれば、圧力流動性トナーの定着性が向上するとともに、トナーオフセットが発生することが抑制される。

１…画像形成装置
２…画像出力装置
５…ラフ紙
４０…定着装置
４２…定着ロール
４３…加圧ロール
４２１…芯金部材
４２２…支持層
４２３…表面層

Claims (4)

1. 金属製基体の外周に被覆された弾性体からなる弾性体層を有し、記録媒体上に形成された圧力流動性トナーからなる未定着トナー像を加圧することで定着する定着部材と、
   前記定着部材に対向して配置され、前記定着部材に圧接する加圧部材と、
   を備え、
   前記弾性体層は、前記記録媒体としての紙よりも低い弾性率を有する定着装置。
2. 前記定着部材は、前記弾性体層の表面に被覆された被覆層を有し、
   前記被覆層は、前記記録媒体としての紙より弾性率が高いことを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記被覆層は、表面が粗い前記紙の凹凸よりも厚さが薄いことを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
4. 記録媒体の表面に圧力流動性トナーからなるトナー像を形成するトナー像形成手段と、
   前記記録媒体の表面に形成された圧力流動性トナーからなるトナー像を圧力により定着する定着手段と、
   を備え、
   前記定着手段として請求項１乃至３のいずれかに記載された定着装置を用いたことを特徴とする画像形成装置。