JP2023125026A - 定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光沢ムラの発生の抑制と記録材にしわが発生することの抑制との両立を図れる構成を提供する。【解決手段】摺動部材３０４は、ベルト３０１と加圧ローラ３０５とで形成されるニップ部Ｎにおいて、ベルト３０１の内周面と摺動する。パッド３０３は、ベルト３０１の内側において、摺動部材３０４及びベルト３０１を加圧ローラ３０５との間で挟持するように配置され、摺動部材３０４をバックアップする。ニップ部Ｎに係る荷重値をＷ［Ｎ］、摺動部材３０４のヤング率をＥ［ＭＰａ］、摺動部材３０４の厚みをｔ［ｍｍ］、摺動部材３０４とベルト３０１との間の摩擦係数をμ、記録材の幅方向に関して摺動部材３０４の長さをＬ［ｍｍ］とした場合に、摺動部材３０４は、以下の式を満たす。TIFF2023125026000010.tif21166TIFF2023125026000011.tif14166【選択図】図２

Description

本発明は、記録材に担持されたトナー像を記録材に定着させる定着装置に関する。

定着装置として、ベルトとローラなどのニップ部形成部材により挟持搬送するニップ部を形成し、ニップ部を通過する記録材を加熱、加圧する構成が従来から知られている。また、この構成では、ニップ部においてベルトの内周面に摺動部材を摺動させることで、ベルトとニップ部形成部材との間にニップ部を形成している。

定着装置では、記録材に定着させる画像の品位を保証するために、ニップ部に搬送される記録材とベルトとの間のスリップ、及び、記録材とニップ部形成部材との間のスリップを抑制することが求められる。このために、これら記録材とベルトとの間、及び、記録材とニップ部形成部材との間の摩擦力よりも、ベルトと摺動部材との間の摩擦力を小さくすることが求められている。特に、ニップ部の幅を広くして加熱効率を高めるようにしたワイドニップを有する構成においては、ベルトと摺動部材との間の摩擦力を小さくすることが求められている。

例えば特許文献１には、ニップ部においてベルトの内周面と摺動する摺動シートに凹凸を形成して、摺動シートとベルトとの間の摩擦力を低くするようにした構成が開示されている。

特開２０２０－５２３５４号公報

上述のようにベルトと摺動部材とを摺動する構成の場合、ニップ部に作用する摩擦力が大きくなると、摺動部材が変形し、ニップ部内で圧力ムラが発生する虞がある。圧力ムラが発生すると、定着された画像に光沢ムラが発生してしまう。特に、ニップ部の幅を広くしたワイドニップの構成では、ニップ部に作用する摩擦力が大きくなり易い。

摺動部材の変形を抑制するためには摺動部材の剛性を高くすることが考えられるが、摺動部材の剛性が高すぎると、摺動部材をバックアップするバックアップ部材の形状に追従できずに、ニップ部内で局所的に圧が高くなる虞がある。ニップ部内で局所的に圧が高くなると、ニップ部を通過する記録材にしわが発生する虞がある。

本発明は、光沢ムラの発生の抑制と記録材にしわが発生することの抑制との両立を図れる構成を提供することを目的とする。

本発明は、記録材に担持されたトナー像を記録材に定着させる定着装置であって、無端状で回転可能なベルトと、前記ベルトの外周面と当接して、前記ベルトとの間で記録材を挟持搬送するニップ部を形成するニップ部形成部材と、前記ニップ部において前記ベルトの内周面と摺動する摺動部材と、前記ベルトの内側において、前記摺動部材及び前記ベルトを前記ニップ部形成部材との間で挟持するように配置され、前記摺動部材をバックアップするバックアップ部材と、を備え、前記ニップ部に係る荷重値をＷ［Ｎ］、前記摺動部材のヤング率をＥ［ＭＰａ］、前記摺動部材の厚みをｔ［ｍｍ］、前記摺動部材と前記ベルトとの間の摩擦係数をμ、記録材の搬送方向に交差する記録材の幅方向に関して前記摺動部材の長さをＬ［ｍｍ］とした場合に、前記摺動部材は、以下の式を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、光沢ムラの発生の抑制と記録材にしわが発生することの抑制との両立を図れる。

実施形態に係る画像形成装置の概略構成断面図。 （ａ）実施形態に係る定着装置の概略構成断面図、（ｂ）（ａ）のＡ部を拡大して示す模式図。 実施形態に係る摺動部材を模式的に示す、（ａ）断面図、（ｂ）平面図。 実施形態に係る摺動部材とベルトとの関係を模式的に示す平面図。 （ａ）非加圧時のニップ部周辺の構成を模式的に示す断面図、（ｂ）加圧時のニップ部周辺の構成を模式的に示す断面図。 （ａ）理想的なニップ部の幅方向の圧力分布を示すグラフ、（ｂ）理想的なニップ部での記録材の搬送時の力の関係を模式的に示す平面図。 （ａ）比較例におけるニップ部の幅方向の圧力分布を示すグラフ、（ｂ）比較例におけるニップ部での記録材の搬送時の力の関係を模式的に示す平面図。 検証１で用いた各種摺動部材の条件を示す表。 検証１の結果を示すグラフ。 検証２の結果を示すグラフ。 検証３の結果を示すグラフ。 検証４の結果を示すグラフ。

実施形態について、図１ないし図１２を用いて説明する。まず、本実施形態の画像形成装置の概略構成について、図１を用いて説明する。

［画像形成装置］
画像形成装置１は、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの４色に対応して設けられた４つの画像形成部Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄを有する電子写真方式のフルカラープリンタである。本実施形態では、画像形成部Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄを後述する中間転写ベルト２０４の回転方向に沿って配置したタンデム型としている。画像形成装置１は、画像形成装置本体３に接続された画像読取部（原稿読取装置）２又は画像形成装置本体３に対し通信可能に接続されたパーソナルコンピュータ等のホスト機器からの画像信号に応じてトナー像（画像）を記録材に形成する。記録材としては、用紙、プラスチックフィルム、布などのシート材が挙げられる。

画像形成装置１は、画像読取部２と画像形成装置本体３とを備える。画像読取部２は、原稿台ガラス２１上に置かれた原稿を読み取るもので、光源２２から照射された光が原稿で反射し、レンズなどの光学系部材２３を介してＣＣＤセンサ２４に結像される。このような光学系ユニットは矢印の方向に走査することにより、原稿をライン毎の電気信号データ列に変換する。ＣＣＤセンサ２４により得られた画像信号は、画像形成装置本体３に送られ、制御部３０で後述する各画像形成部に合わせた画像処理がなされる。また、制御部３０は画像信号としてプリントサーバなどの外部のホスト機器からの外部入力も受ける。

画像形成装置本体３は、複数の画像形成部Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄを備え、各画像形成部では、上述の画像信号に基づいて画像形成が行われる。即ち、画像信号は制御部３０によりＰＷＭ（パルス幅変調制御）されたレーザービームに変換される。露光装置としてのポリゴンスキャナ３１は、画像信号に応じたレーザービームを走査する。そして、各画像形成部Ｐａ～Ｐｄの像担持体としての感光ドラム２００ａ～２００ｄにレーザービームが照射される。

なお、Ｐａはイエロー色（Ｙ）の画像形成部、Ｐｂはマゼンタ色（Ｍ）の画像形成部、Ｐｃはシアン色（Ｃ）の画像形成部、Ｐｄはブラック色（Ｂｋ）の画像形成部で、それぞれ対応する色の画像を形成する。画像形成部Ｐａ～Ｐｄは略同一なので、以下にＹの画像形成部Ｐａの詳細を説明して、他の画像形成部の説明は省略する。画像形成部Ｐａにおいて、感光ドラム２００ａは、次述するように、画像信号に基づいて表面にトナー画像が形成される。

１次帯電器としての帯電ローラ２０１ａは、感光ドラム２００ａの表面を所定の電位に帯電させて静電潜像形成の準備を施す。ポリゴンスキャナ３１からのレーザービームによって、所定の電位に帯電された感光ドラム２００ａの表面に静電潜像が形成される。現像器２０２ａは、感光ドラム２００ａ上の静電潜像を現像してトナー像を形成する。１次転写ローラ２０３ａは、中間転写ベルト２０４の背面から放電を行いトナーと逆極性の一次転写バイアスを印加し、感光ドラム２００ａ上のトナー像を中間転写ベルト２０４上へ転写する。転写後の感光ドラム２００ａは、クリーナー２０７ａでその表面を清掃される。

また、中間転写ベルト２０４上のトナー像は次の画像形成部に搬送され、Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｂｋの順に、順次それぞれの画像形成部にて形成された各色のトナー像が転写され、４色の画像がその表面に形成される。そして、中間転写ベルト２０４の回転方向最下流にあるＢｋの画像形成部Ｐｄを通過したトナー像は、２次転写ローラ対２０５、２０６で構成される２次転写部に搬送される。そして、２次転写部おいて、中間転写ベルト２０４上のトナー画像と逆極性の２次転写電界が印加されることにより、記録材に２次転写される。

記録材は、カセット９に収容されており、カセット９から給送された記録材は、例えば１対のレジストレーションローラで構成されるレジ部２０８に搬送され、レジ部２０８で待機する。その後、レジ部２０８は、中間転写ベルト２０４上のトナー像と用紙の位置を合わせるためにタイミングが制御され、記録材を２次転写部に搬送する。

２次転写部でトナー像が転写された記録材は、定着装置８に搬送され、定着装置８において、加熱、加圧されることで、記録材に担持されたトナー像が記録材に定着される。定着装置８を通過した記録材は、排出トレイ７に排出される。なお、記録材の両面に画像形成を行う場合には、記録材の第一面（表面）へのトナー像の転写及び定着が終了すると、反転搬送部１０を経て記録材の表裏を逆転し、記録材の第二面（裏面）へのトナー像の転写及び定着を行い、排出トレイ７上に積載される。

なお、制御部３０は、上述のように画像形成装置１全体の制御を行う。また、制御部３０は、画像形成装置１が有する操作部４からの入力に基づいて、各種設定などが可能である。このような制御部３０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を有している。ＣＰＵは、ＲＯＭに格納された制御手順に対応するプログラムを読み出しながら各部の制御を行う。また、ＲＡＭには、作業用データや入力データが格納されており、ＣＰＵは、前述のプログラム等に基づいてＲＡＭに収納されたデータを参照して制御を行う。

［定着装置］
次に、図２（ａ）、（ｂ）を用いて本実施形態のおける定着装置８の構成について説明する。本実施形態では、無端状のベルトを用いたベルト加熱方式の定着装置を採用している。図２（ａ）において、Ｘ方向は記録材Ｐ（図中不図示）の搬送方向、Ｙ方向は記録材の搬送方向に交差する（本実施形態では直交する）記録材の幅方向、Ｚ方向はニップ部Ｎで記録材が加圧される方向である加圧方向を示す。本実施形態では、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、それぞれが互いに直交する方向である。

定着装置８は、定着ベルト（以下、ベルト）３０１、ステイ３０２、加圧パッド（以下、パッド）３０３、摺動部材３０４、加圧ローラ３０５、加熱ローラ３０７、サーミスタ３０８などを有する。ベルト３０１は、無端状で回転可能な加熱回転体である。ニップ部形成部材としての加圧ローラ３０５は、ベルト３０１の外周面と当接して、ベルト３０１との間で記録材を挟持搬送するニップ部Ｎを形成する加圧回転体である。

摺動部材３０４は、ニップ部Ｎにおいてベルト３０１の内周面と摺動する。バックアップ部材としてのパッド３０３は、ベルト３０１の内側において、摺動部材３０４及びベルト３０１を加圧ローラ３０５との間で挟持するように配置され、摺動部材３０４をバックアップする。摺動部材３０４は、パッド３０３のベルト３０１側の外周面を覆うように配置されている。ステイ３０２は、ベルト３０１の内側で、パッド３０３を挟んでニップ部Ｎと反対側に配置され、パッド３０３を支持する。加熱ローラ３０７は、ベルト３０１を張架するようにベルト３０１の内側に配置され、ベルト３０１を加熱する。温度検知部材としてのサーミスタ３０８は、ベルト３０１の温度を検知する。以下、各構成について詳しく説明する。

ベルト３０１は、熱伝導性と耐熱性等を有しており、薄肉の円筒形状である。本実施形態においては、ベルト３０１は、図２（ｂ）に示すように、基層３０１ａ、基層３０１ａの外周に弾性層３０１ｂ、その外周に離型性層３０１ｃを形成した３層構造としている。基層３０１ａは、例えば厚さ８０μｍで材質はポリイミド樹脂（ＰＩ）を用いている。弾性層３０１ｂは、例えば厚さ３００μｍでシリコーンゴムを用いている。離型性層３０１ｃは、例えば厚さ３０μｍでフッ素樹脂としてのＰＦＡ（四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂）を用いている。ベルト３０１は、パッド３０３、加熱ローラ３０７よって張架される。ベルト３０１の外径は、本実施形態では１５０ｍｍである。

パッド３０３は、ベルト３０１の内側に、ベルト３０１を挟んで加圧ローラ３０５と対向するように配置されると共に、ベルト３０１と加圧ローラ３０５との間で記録材を挟持搬送するニップ部Ｎを形成する。本実施形態では、パッド３０３は、ベルト３０１の幅方向（ベルト３０１の回転方向と交差する長手方向、加熱ローラ３０７の回転軸線方向）に沿って長い、略板状の部材である。パッド３０３がベルト３０１を挟んで加圧ローラ３０５に押圧されることで、ニップ部Ｎが形成される。パッド３０３の材質は、ＬＣＰ（液晶ポリマー）樹脂を用いている。また、パッド３０３は、加圧時にステイ３０２のたわみによる変形を補正するように、搬送方向と直交する方向にクラウン形状を有している。パッド３０３とベルト３０１の間には、摺動部材３０４を介在させている。摺動部材３０４の詳細については後述する。

パッド３０３は、ベルト３０１の内側に配置された支持部材としてのステイ３０２により支持されている。即ち、ステイ３０２は、パッド３０３の加圧ローラ３０５と反対側に配置され、パッド３０３を支持する。このようなステイ３０２は、ベルト３０１の長手方向に沿って長い剛性を有する補強部材であり、パッド３０３に当接して、パッド３０３をバックアップする。即ち、ステイ３０２は、パッド３０３が加圧ローラ３０５から押圧された際に、パッド３０３に強度を持たせてニップ部Ｎにおける加圧力を確保するものである。

ステイ３０２は、ステンレス鋼などの金属製であり、ベルト３０１の回転方向と交差するステイ３０２の長手方向に直交する断面（横断面）が略矩形状である。例えば、ステイ３０２は、肉厚３ｍｍのＳＵＳ３０４（ステンレス鋼）の引き抜き材を用い、横断面を略ロの字の中空に成形することで強度を確保している。なお、ステイ３０２は、複数の板金を組み合わせ、溶接などにより互いに固定することで、断面略矩形状に形成しても良い。また、ステイ３０２の材質は強度が担保できればステンレスに限らない。

加熱ローラ３０７は、ベルト３０１の内側に配置され、パッド３０３と共にベルト３０１を張架する。加熱ローラ３０７は、アルミニウムやステンレスなどの金属により円筒状に形成され、その内部にベルト３０１を加熱するための加熱源としてのハロゲンヒータ３０６が配設されている。そして、加熱ローラ３０７は、ハロゲンヒータ３０６により所定の温度まで加熱される。

加熱ローラ３０７は、長手方向の片端部又は中央近傍に回動中心を持ち、ベルト３０１に対して回動することで前後にテンション差を発生させ、ベルト３０１の主走査方向の位置をコントロールするステアリングローラでもある。また、加熱ローラ３０７は、不図示のフレームによって支持されたばねによって付勢されており、ベルト３０１に所定の張力を与えるテンションローラでもある。

本実施形態では、加熱ローラ３０７は、例えば厚み１ｍｍのステンレス製のパイプにより形成されている。また、ハロゲンヒータ３０６は、１本でも良いが、加熱ローラ３０７の長手方向（回転軸線方向）の温度分布制御を鑑みると複数本あることが望ましい。複数本設けられたハロゲンヒータ３０６は、長手方向において互いに異なる配光分布を有しており、記録材のサイズに応じて点灯比率を制御している。本実施形態では３本のハロゲンヒータ３０６を配置している。なお、加熱源は、ハロゲンヒータに限らず、例えばカーボンヒータなど加熱ローラ３０７を加熱可能な他のヒータであっても良い。

ベルト３０１は、ハロゲンヒータ３０６により加熱された加熱ローラ３０７によって加熱され、サーミスタ３０８による温度検知に基づき、記録材の種類に応じた所定の目標温度に制御される。サーミスタ３０８は、ベルト３０１の幅方向に関して、定着装置８で定着可能な全サイズの記録材が通過する中央付近のベルト３０１の外周面に対向して配置されている。そして、サーミスタ３０８は、ベルト３０１の温度を検知し、制御部３０は、サーミスタ３０８の検知温度が目標温度となるようにハロゲンヒータ３０６へ供給する電力を制御する。なお、サーミスタ３０８は、ベルト３０１の外周面に近接配置される非接触式のセンサであっても良いし、ベルト３０１の外周面に接触配置される接触式のセンサであっても良い。

加圧ローラ３０５は、ベルト３０１の外周面に当接して回転し、ベルト３０１に駆動力を付与する駆動回転体でもある。なお、本実施形態では、加熱ローラ３０７も駆動源（例えば駆動モータ）により回転駆動されており、ベルト３０１に駆動力を付与している。但し、加熱ローラ３０７への駆動力の付与を省略しても良い。加圧ローラ３０５は、芯金（軸）３０５ｃ、芯金３０５ｃの外周に弾性層３０５ｂ、その外周に離型性層３０５ａを形成したローラである。芯金３０５ｃは、例えば直径７２ｍｍのステンレス鋼を用いている。弾性層３０５ｂは、例えば厚さ８ｍｍの導電シリコーンゴムを用いている。離型性層３０５ａは、例えば厚さ１００μｍでフッ素樹脂としてのＰＦＡ（四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂）を用いている。加圧ローラ３０５は、定着装置８のフレーム（不図示）によって回転自在に支持されており、片端部にはギアが固定され、ギアを介して駆動源（例えば駆動モータ、不図示）に接続されて回転駆動される。

定着装置８は、ベルト３０１と加圧ローラ３０５との間に形成されるニップ部Ｎにおいて、トナー画像を担持した記録材Ｐを挟持し、搬送しながらトナー画像を加熱する。このように、定着装置８は、記録材Ｐを挟持搬送しながら、記録材Ｐにトナー画像を定着させる。よって、熱や圧力を加える機能と、記録材Ｐを搬送する機能の両立が必要である。不図示の駆動源により、加圧ローラ３０５がベルト３０１を介して摺動部材３０４に対して加圧される。本実施形態では、画像形成時のニップ部Ｎにおける加圧力（ＮＦ）、即ち、パッド３０３と加圧ローラ３０５とにかかる荷重値は１６００Ｎであり、ニップ部ＮのＸ方向（記録材の搬送方向）の幅は２４．５ｍｍ、Ｙ方向（記録材の幅方向）幅は３２６ｍｍとなるように設定した。

なお、ニップ部Ｎの搬送方向（Ｘ方向）の長さ（ニップ幅）は、ベルト３０１を介して摺動部材３０４が加圧ローラ３０５に押圧されることで形成される。ニップ部Ｎにおける加圧力（ＮＦ）が９００Ｎを下回ると摺動部材３０４とベルト３０１との間に非接触領域が生じ始めるため、必要なニップ幅を保持できなくなってしまう。このため、本実施形態では、ニップ部Ｎにかかる加圧力（ＮＦ）、即ち、パッド３０３と加圧ローラ３０５とにかかる荷重値は、９００Ｎ以上となるように設定している。

［摺動部材］
摺動部材３０４の詳細構成を図３（ａ）、（ｂ）に示す。図３（ａ）は、摺動部材３０４を搬送方向に切った際の断面図で、図３（ｂ）は、ベルト３０１と摺動部材３０４の接触面側から摺動部材３０４を見た平面図である。摺動部材３０４は、パッド３０３を介してステイ３０２にビスなどで固定されている。なお、摺動部材３０４はパッド３０３と一体となっていても構わない。また、摺動部材３０４をステイ３０２やパッド３０３に一部を固定するようにしても構わない。例えば、摺動部材３０４のＹ方向（幅方向）両端部をパッド３０３にビスなどで固定しても良い。

摺動部材３０４は、基材層３０４ａ、摺動層３０４ｃで構成されている。基材層３０４ａのベルト３０１と摺動する側には、ベルト３０１の内周面に向かって突出する複数の突起（エンボス部）３０４ｂが形成されている。摺動層３０４ｃは、基材層３０４ａのベルト３０１と摺動する側の表面（複数の突起３０４ｂを含む）を覆うように設けられている。

基材層３０４ａは、十分強度な耐熱性と強度を持てばよい。材質はステンレス鋼、銅、アルミニウム、エンジニアリングプラスチック（ＰＩ（ポリイミド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）等）などが挙げられ、本実施形態ではステンレス鋼、銅、アルミニウムなどの金属材料が望ましい。本実施形態では、基材層３０４ａとして、厚み３００μｍのＰＩを利用した。

複数の突起３０４ｂは、基材層３０４ａと同じ材料で一体に形成されており、ニップ部Ｎにおける記録材の搬送方向（Ｘ方向）に亙って、且つ、搬送方向に交差する記録材の幅方向（Ｙ方向）に亙って、それぞれ複数配置されている。複数の突起３０４ｂは、摺動部材３０４のベルト３０１の内周面と摺動する側の面の全体面積に対して、複数の突起３０４ｂ全部の先端面の面積の合計が９割以上となるように設けられている。

搬送方向に関して隣り合う突起３０４ｂの中心同士の距離（間隔）ｄ、及び、幅方向に関して隣り合う突起３０４ｂの中心同士の距離（間隔）ｄは、それぞれ１．２５ｍｍ以上、好ましくは１．４ｍｍ以上である。本実施形態では、ベルト３０１との摺動性を均一にするために、複数の突起３０４ｂの間隔は搬送方向、幅方向で同じとしており、それぞれの間隔ｄを１．４ｍｍとした。但し、幅方向と搬送方向で圧力分布が異なる場合は、圧力分布に応じて、それぞれの方向の突起の間隔を変えるようにしても良い。

このように摺動部材３０４のベルト３０１と摺動する側の面に複数の突起３０４ｂを設けることで、摺動部材３０４とベルト３０１との接触面積を減らし、摺動部材３０４とベルト３０１との摺動抵抗を低減させている。

摺動層３０４ｃは、低摩擦を実現するためのフッ素樹脂（ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ等）などのコート剤とすることが好ましい。本実施形態では、摺動部材３０４を、厚み２０μｍのＰＴＦＥを複数の突起３０４ｂを含む基材層３０４ａの表面にコーティングすることで形成した。また、本実施形態では、ベルト３０１の内面に潤滑剤を塗布している。これにより、ベルト３０１は摺動部材３０４に対して滑らかに摺動する構成になっている。潤滑材としては、シリコーンオイルを用いた。

また、本実施形態の摺動部材３０４は、ニップ部Ｎの内外に問わずパッド３０３を覆うように構成した。即ち、パッド３０３のニップ部Ｎと反対側の面を除き、ベルト３０１と対向する面の全体を摺動部材３０４により覆っている。なお、摺動部材３０４は、パッド３０３の表面のうち、ニップ部Ｎにのみ配置されていても良い。また、複数の突起３０４ｂは、摺動部材３０４の全域に配置したが、摺動部材３０４がニップ部Ｎよりも大きい場合には、複数の突起３０４ｂがニップ部Ｎにのみに配置された構成でも構わない。

［摺動部材の変形による圧力ムラの発生要因］
次に、図４を用いて、摺動部材３０４の変形による圧力ムラの発生原理を説明する。図４は、ニップ部Ｎを図２の上方から見た図であり、説明のためにステイ３０２、パッド３０３は不図示としている。摺動部材３０４は、加圧ローラ３０５により、ベルト３０１を介してパッド３０３方向（Ｚ方向）に加圧力Ｗで加圧されている。ベルト３０１は加熱ローラ３０７により駆動されて、ベルト搬送方向（Ｘ方向）に移動する。ベルト３０１と摺動部材３０４の間の摩擦係数をμとすると、摺動部材３０４は、ベルト３０１の移動方向に対して、摩擦力μＷの力を受けることになる。

このとき、摩擦力μＷが大きくなると、摺動部材３０４の剛性によっては、搬送方向（Ｘ方向）に座屈し変形し、ニップ部に部分的な圧力ムラを発生させてしまう。この部分的な圧力ムラが発生する状態で記録材がニップ部を通過すると、圧力ムラの影響により画像に光沢ムラを発生させてしまうことが分かった。

従来の定着装置では、加圧力が６００Ｎ程度と比較的小さいため、摺動部材が変形したとしても微小であり、光沢ムラとしては軽微で問題にはならなかった。しかし、高速化に対応するためワイドニップ化した定着装置では、加圧する面積が増加することにより加圧力は９００Ｎ以上の高い圧力を付与する場合に、このような現象が顕在化することがわかった。即ち、本実施形態の定着装置８のように、加圧力が９００Ｎ以上の高い圧力が必要なワイドニップ化した構成において、摺動部材３０４の剛性が低いと、摺動部材３０４の変形により圧力ムラが発生する虞がある。そして、この圧力ムラが、光沢ムラの発生の原因となる。

［摺動部材の剛性について］
上述のような光沢ムラを発生させないためには、摺動部材３０４の剛性をあげ、変形量を少なくすることが考えられる。しかし、摺動部材３０４の剛性を高くしすぎると、幅方向（Ｙ方向）の圧力分布が不安定になり、記録材のしわなどの搬送不良が発生する場合があることがわかった。

この現象について、図５（ａ）～図７（ｂ）を用いて説明する。図５（ａ）、（ｂ）は、ニップ部を搬送方向から見た断面図で、それぞれの部材を誇張して示している。図５（ａ）は、加圧ローラ３０５によってニップ部Ｎが加圧されていない場合（非加圧時）を、図５（ｂ）は、ニップ部Ｎが加圧されている場合（加圧時）を、それぞれ模式的に示している。パッド３０３は、図５（ａ）のように、非加圧時において、加圧ローラ３０５側に下側に凸のクラウン形状を有している。加圧ローラ３０５を加圧した時は、ワイドニップ構成における高い荷重のため、ステイ３０２がたわみにより、図５（ｂ）のように変形する。ステイ３０２がたわんだ時、ニップ部Ｎ内で幅方向（Ｙ方向）において所望の圧力分布になるように、パッド３０３のクラウン形状が最適化されている。

ニップ部Ｎ内の幅方向（Ｙ方向）の圧力分布と記録材Ｐの搬送力について、図６（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図６（ａ）は、パッド３０３のクラウン形状が最適化されたときの理想的な幅方向の圧力分布のグラフである。図６（ｂ）は、ニップ部Ｎにおける記録材Ｐの搬送力の分布と、ニップ部Ｎの入口で記録材のかかる力、記録材Ｐにかかる回転モーメントを模式的に示している。ニップ部Ｎにおける記録材Ｐの搬送力の分布における矢印の長さは、搬送力の大きさを示している。

ニップ部Ｎにおいて、幅方向中央に比べて端部の圧力が高く設定することで、図６（ｂ）のように、幅方向端部に行くに従い記録材Ｐの搬送力を上げるような構成になっている。これにより、ニップ部Ｎに剛度の低い記録材を搬送した場合でも、ニップ部Ｎの入口で記録材を広げるモーメントを与えることで、記録材のしわの発生を抑えることが可能になっている。

一方、比較例として、摺動部材３０４の剛性が高い場合に記録材のしわが発生したときの幅方向圧分布と記録材の搬送力について、図７（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図７（ａ）は、比較例における幅方向の圧力分布のグラフである。図７（ｂ）は、図６（ｂ）と同様に、比較例の構成で、ニップ部Ｎにおける記録材Ｐの搬送力の分布と、ニップ部Ｎの入口で記録材のかかる力、記録材Ｐにかかる回転モーメントを模式的に示している。

図６（ａ）の幅方向の圧力分布と異なり、図７（ａ）の幅方向の圧力分布は、αの部分で局所的に圧が高くなっている部分がある。これにより、図７（ｂ）のような搬送力分布が発生してしまい、この搬送力分布の回転モーメントにより、ニップ部Ｎの入口で内側の力を及ぼしあい、βの部分で記録材Ｐにしわが発生する。

このとき、図７（ａ）のαの部分で局所的に圧が高くなってしまっている原因について説明する。図５（ｂ）において、加圧ローラ３０５がステイ３０２側に加圧されたときを考える。摺動部材３０４の剛性が低い場合は、パッド３０３で最適化されたクラウン形状にならって摺動部材３０４が変形するため、摺動部材３０４自体が幅方向の圧力分布に及ぼす影響は小さい。

しかし、摺動部材３０４の剛性が高い場合は、パッド３０３で最適化されたクラウン形状にならって摺動部材３０４が変形しないため、摺動部材３０４自体が幅方向の圧力分布に影響を与えて、局所的に圧が高くなる場合がある。この現象は、摺動部材３０４の剛度が高い場合でも摺動部材３０４に「そり」が無く、平面度が低ければ影響は少ない。しかし、量産時のばらつきや工程による取り扱いにより少なからず「そり」が発生して、平面度が高くなる場合が発生する。このため、摺動部材３０４が部分的にパッド３０３の形状に追従できず、図７（ａ）のように局所的に圧力が高くなり、記録材のしわが発生する要因となる。

［各種パラメータの測定方法］
以下に、本実施形態で重要となる各種パラメータである摺動部材のヤング率Ｅ、摺動部材の厚みｔの測定方法について説明する。まず、摺動部材３０４のヤング率Ｅの測定方法を説明する。ヤング率の測定を行う際は、島津製作所製 引張試験器ＡＧ－Ｘを使用した。引張試験器ＡＧ－Ｘのアタッチメントは、ロードセルを５００Ｎ用、チャックは５００Ｎ用機械式平行締めつかみ具にした。引張試験を行う際、恒温槽温度を１８０℃、引っ張る速度を５ｍｍ／ｍｉｎに設定し、あらかじめ厚み測定した結果を入力した。

上記で使用する厚み測定値は、摺動部材３０４の各層の中の最も強度が大きい基材層３０４ａの厚みの値を入力した。弾性率は、ロードセルの試験力が１０Ｎから１５Ｎの領域において計算した。本測定は引張試験の恒温槽設定温度が１８０℃になったのを確認してから開始した。引張試験時に使用するダンベル形状はＪＩＳ Ｋ７１３９－Ａ２４で示されるものを使用した。摺動部材３０４の長手方向及び短手方向で各１０回測定を行ったあと、それぞれの平均値をとって、長手方向及び短手方向の弾性率を求めた。本測定の摺動部材３０４のヤング率Ｅ［ＭＰａ］は長手方向及び短手方向の平均値を採用した。摺動部材３０４に、摺動層が多種類かつ複数ある場合はすべてを一つの層として扱い、上記の手順を行うものとする。

次に、摺動部材３０４の厚みｔの測定方法を説明する。厚みｔの測定時は摺動部材３０４をＹ方向（幅方向）に４等分に切断しサンプルを作成した。摺動部材３０４の厚みｔはＨＥＩＤＥＮＨＡＩＮ社製 デジタル測長器 ＣＴ６００１を利用して測定した。測定時の温・湿度条件は２３度、３０％とする。４等分にしたサンプルに対してＸ方向（搬送方向）で厚みを各４点ずつ測定した後、さらにその４等分の平均値を摺動部材３０４の厚みｔ［ｍｍ］とした。本測定において、摺動部材３０４のように摺動層３０４ｃがある場合は摺動層３０４ｃを除いた基材層３０４ａの厚みを測定する。

摺動部材３０４の摩擦係数μの測定方法について説明する。摩擦係数μの測定時は、摺動部材３０４の摺動部分を５ｍｍ角に切り出しサンプルを作成した。摩擦係数の測定は、株式会社レスカ社製 摩擦摩耗試験機ＦＲＰ２１００を用いた。実際の使用環境とそろえるように、温度１８０℃になるように測定台の温度を調整し、その上にベルト３０１をΦ５０ｍｍの円形に切り出して、ベルト３０１の内周面がサンプルと摺動するように張り付けた。潤滑剤としての動粘度１０００ｍｍ^２／ｓのシリコーンオイルをベルト３０１の摺動面に塗布し、回転等速モードで２５０ｍｍ／ｓ、荷重１０Ｎで摩擦係数の測定をした。

［画像確認検証方法］
図１に示した画像形成装置１において、異常画像の有無を判定した評価方法について説明する。検証時は、必要なパラメータ（Ｅ、ｔ、Ｗ）を設定した定着装置８を取り付けた。Ｗはニップ部Ｎにかかる荷重である。また、パラメータの変更方法は、後述の実施形態の検討の説明文中で説明する。

定着装置８に搭載された加圧ローラ３０５の周速度を２５０ｍｍ／ｓｅｃに設定し、加熱ローラ３０７に接触する不図示の接触サーミスタの検知温度が１９５℃になるように制御部３０で制御した。その際、ベルト３０１の表面をＨＯＲＩＢＡ製 赤外放射温度計 ＩＴ－３４０でモニターし、ベルト３０１の表面温度が１８０℃であることを確認した。そして、記録材のブラックのトナー像を形成し、このトナー像を定着装置８において記録材に定着させた。出力したブラックのサンプル画像上に、画像不良の有無が無いかを目視で確認する検討を行った。

使用した記録材は、画像不良を分かりやすくするため、コクヨ社製 ＯＨＴフィルム ＶＦ－１４２０Ｎ Ａ４サイズを用いた。圧力ムラ起因の画像不良を見やすくするため、濃度が濃い全面がブラックのトナー像を記録材にサンプル画像として形成した。そして、定着装置８を使させた後、サンプル画像上の中央付近に不均一に光沢ムラないし濃度ムラが発生した場合、摺動部材３０４の変形による圧力ムラによる画像不良が発生したと判断した。

光沢ムラの発生ランクとしては、まったく発生していないものをランク５とし、軽微に発生しているものをランク４、ランク４よりも光沢ムラが見えるがＯＨＴフィルムの裏から確認して視認できないレベルをランク３、ＯＨＴフィルムの裏からはっきりと視認できるものをランク１、ランク３とランク１の間のレベルをランク２とした。

また、記録材のしわの発生を確認するため、記録材として、比較的剛度の低いキヤノン株式会社製 ＣＳ－５２０ Ａ３Ｔ（坪量５２ｇ／ｍ^２）の記録材に、ブラックハーフトーン画像を同時に出力した。１０枚連続で定着装置８を通過させ、しわの発生率を確認した。

［検証手順と検証結果］
下記に、本実施形態の構成を用いた検証の手順と、摺動部材３０４の厚み、ヤング率Ｅを変更して行った検証の結果を記す。検証１から４における検証の流れを手順に沿って説明する。まず、定着装置８の各種パラメータを決め、それに応じたニップ部Ｎにかかる荷重値Ｗを設定した。摺動部材３０４としては、ヤング率Ｅ、厚みｔ、摩擦係数μを測定し、準備した。次に、摺動部材３０４を定着装置８に取り付け、画像確認検証を行い、それぞれ判定した。

図８に検証で使用した各種の摺動部材の条件を示す。図９から図１２に、検証１から４の結果を記したグラフを示す。グラフプロットの〇は、画像評価結果で光沢ムラ又はしわが発生しなかった場合、グラフプロットの×は、画像評価結果で光沢ムラ又はしわが発生した場合を表す。

［検証１］
検証１では、図８に示したように、摺動部材３０４の基材層３０４ａの材料と厚みを変更し、剛性を変えることで圧力ムラ要因の光沢ムラの発生レベルを確認した。使用した摺動部材３０４には、摺動層３０４ｃとしてすべてＰＴＦＥのコートを行っている。摩擦係数μはＰＴＦＥのコートを行っていることで０．０３であった。荷重値Ｗは１６００Ｎに設定したため、摺動部材３０４とベルト３０１との摺動部にかかる摩擦力は、μＷ＝４８Ｎとなっている。光沢ムラの発生ランクに対しては画像確認検証方法に記載した基準で評価した。

光沢ムラの原因になっている圧力ムラは、摺動部材３０４の変形の影響により発生する。摺動部材３０４にかかる摩擦力に対して摺動部材３０４の剛性が確保できれば、摺動部材３０４が変形しないため、圧力ムラおよび光沢ムラは発生しない。摩擦力と摺動部材３０４の剛性の関係を調べるため、許容摩擦力比というパラメータを定義して、図８の表に記載した。許容摩擦力比は以下の式（１）からなる。

式（１）の分子は、摺動部材３０４に係る摩擦力であり、分母は摺動部材３０４のヤング率Ｅ［ＭＰａ］、厚みｔ［ｍｍ］、記録材の搬送方向と直交した幅方向の長さＬ［ｍｍ］からなるたわみ剛性を考慮した指標である。

図９に図８の結果をもとに、許容摩擦力比と画像ランクとの関係を表すグラフを示す。この結果から、許容摩擦力比が大きくなると、光沢ムラランクが低下し、光沢ムラが発生しない光沢ムラランク５を満足するために、許容摩擦力比１２００以下であることが必要だとわかる。

［検証２］
検証２では、より詳細に許容摩擦力比の関係を調べるために、摺動部材３０４の基材層３０４ａの材料をステンレス鋼に固定して、厚みを変更し、剛性を変えることで圧力ムラ要因の光沢ムラの発生レベルを確認した。検証１と同様に、使用した摺動部材３０４には、摺動層３０４ｃとしてすべてＰＴＦＥのコートを行っている。摩擦係数μはＰＴＦＥのコートを行っていることで０．０３であった。荷重値Ｗは１６００Ｎに設定したため、摺動部にかかる摩擦力は、μＷ＝４８Ｎとなっている。

図１０に、摺動部材３０４の基材層３０４ａの厚みｔと許容摩擦力比の関係を表すグラフを示す。この結果から、厚みｔが厚くなると許容摩擦力比が小さくなり、許容摩擦力比１２００以下で光沢ムラが発生しないことがわかる。この結果から、摺動部材３０４の厚みやヤング率を変更し、許容摩擦力比が１２００以下になるように設定することで、圧力ムラによる光沢ムラの発生を回避できることがわかる。

［検証３］
検証３では、荷重による許容摩擦力比の関係を調べるために、摺動部材３０４の基材層３０４ａの材料をステンレス鋼に固定、厚みを０．０４ｍｍに固定し、剛性を変えることで圧力ムラ要因の光沢ムラの発生レベルを確認した。検証１と同様に使用した摺動部材３０４には、摺動層３０４ｃとしてすべてＰＴＦＥのコートを行っている。摩擦係数μはＰＴＦＥのコートを行っていることで０．０３であった。ニップ部Ｎにかかる荷重値Ｗは２００～２０００Ｎに変更して、摺動部材３０４とベルト３０１との摺動部にかかる摩擦力μＷを変更しながら許容摩擦力比と画像ランクの関係を調査した。

図１１に、許容摩擦力比と画像ランクとの関係を表すグラフを示す。この結果から、ニップ部Ｎにかかる荷重値Ｗが高くなると、摺動部の摩擦力が高くなり光沢ムラが発生してしまうことがわかる。この結果から、ニップ部Ｎにかかる荷重値Ｗに応じて、摺動部材３０４の厚みｔやヤング率Ｅを変更し、許容摩擦力比１２００以下になるように設定することで、圧力ムラによる光沢ムラの発生を回避できることがわかる。

検証１～３の結果から、許容摩擦力比に関する以下の式（２）を満足することで、光沢ムラの発生を防止できることが示された。

［検証４］
検証４では、摺動部材３０４の剛性が高くなりすぎときの記録材のしわの影響を調べるために、摺動部材３０４の基材層３０４ａの材料をステンレス鋼に固定して、検証２と同様の検証を行った。摺動部材３０４の厚みｔは、０．５～３．５ｍｍの範囲で厚みを変更して、記録材のしわの発生レベルを確認した。基材層３０４ａの剛性の指標として幅方向（Ｙ方向）の局所的な変形を考慮し、断面二次モーメントを考慮した以下の式（３）を用いた。

式（３）に示す基材層３０４ａの剛性は、摺動部材３０４のヤング率Ｅ［ＭＰａ］、厚みｔ［ｍｍ］からなっている。図１２に、摺動部材３０４の基材層３０４ａの厚みｔと、基材層３０４ａの剛性の関係を表すグラフを示す。グラフのプロットで○印が記録材のしわの発生がなかった条件であり、×印が記録材のしわが発生した条件となる。この結果から、摺動部材３０４の基材層３０４ａの厚みｔが２．５ｍｍより薄いと、記録材のしわの発生は起こらないが、厚みｔが３．０ｍｍよりも厚くなると、記録材のしわが発生してしまうことがわかる。また、記録材のしわの発生を防ぐ基材層３０４ａの剛性の条件は、図１２のグラフから２．６×１０^５［Ｎ／ｍｍ］以下であることがわかる。検証４の結果から、以下の式（４）を満足することで、記録材のしわの発生を抑制できることが示された。

［他の実施形態］
上述の実施形態では、摺動部材３０４は、ベルト３０１との摺動抵抗を低減させるため、突起３０４ｂを有する構成を一例として説明した。しかしながら本発明は、摺動部材に突起３０４ｂを有さない構成にも適用可能である。

８・・・定着装置
３０１・・・ベルト
３０３・・・パッド（バックアップ部材）
３０４・・・摺動部材
３０４ａ・・・基材層
３０４ｂ・・・突起
３０４ｃ・・・摺動層
３０５・・・加圧ローラ（ニップ部形成部材）

Claims (3)

1. 記録材に担持されたトナー像を記録材に定着させる定着装置であって、
   無端状で回転可能なベルトと、
   前記ベルトの外周面と当接して、前記ベルトとの間で記録材を挟持搬送するニップ部を形成するニップ部形成部材と、
   前記ニップ部において前記ベルトの内周面と摺動する摺動部材と、
   前記ベルトの内側において、前記摺動部材及び前記ベルトを前記ニップ部形成部材との間で挟持するように配置され、前記摺動部材をバックアップするバックアップ部材と、を備え、
   前記ニップ部に係る荷重値をＷ［Ｎ］、前記摺動部材のヤング率をＥ［ＭＰａ］、前記摺動部材の厚みをｔ［ｍｍ］、前記摺動部材と前記ベルトとの間の摩擦係数をμ、記録材の搬送方向に交差する記録材の幅方向に関して前記摺動部材の長さをＬ［ｍｍ］とした場合に、前記摺動部材は、以下の式を満たす
   ことを特徴とする定着装置。
   

   

   
2. 前記ニップ部にかかる加圧力は、９００Ｎ以上である
   ことを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記摺動部材は、前記ベルトと摺動する側に前記ベルトの内周面に向かって突出する複数の突起を有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。

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