JP3797091B2

JP3797091B2 - 画像定着装置

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Publication number: JP3797091B2
Application number: JP2000313081A
Authority: JP
Inventors: 哲也古山
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2020-10-13
Also published as: JP2002123109A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子写真式複写機やレーザビームプリンタ等において、記録シートに転写されたトナー像を該記録シートに定着させる定着装置に係り、特に、トナーを記録シートに電気的に固定してトナー像のオフセットや飛散を防止すべく、バイアス電圧を印加しながら該トナー像の定着を行うタイプの定着装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子写真式複写機等における定着装置しては、所謂ヒートローラ方式なるものが知られている。具体的には、所定の圧力で当接する一対の定着ローラと加圧ローラとの間にトナー像が転写された記録シートを挿通させ、定着ローラに内蔵されたヒータによってトナーを溶融させると共に、溶融したトナーを記録シートの受像面に圧着させることにより、所定の定着強度でトナー像を記録シートに固定するように構成されている。
【０００３】
しかし、このようなヒートローラ方式の定着装置では、記録シートに含まれている水分等は定着装置における加熱によって蒸発するので、微視的に観察すると、記録シートのニップ位置直前の楔状領域では水分の蒸発に伴う気体の噴出が生じ、これによって記録シートに付着しているトナーが定着前に飛び散る所謂トナー飛び散りが発生し易い（以下、この原因によるトナー飛び散りを「爆発型」という）。文字画像や記録シートの搬送方向に沿った線画の場合には噴出した気体の逃げ道が存在するために、上記トナー飛び散りは余り顕著に発生しないが、定着ローラの回転軸と平行に描かれた線画においては、図９に示すように、トナーが定着ローラの周面と記録シートとの間でダムのような機能を果たしてしまうので、行き場のない気体がトナー像の一部を吹き飛ばし、その結果としてトナー飛び散りが顕著に発生し易い。このような記録シートの加熱に起因するトナー飛び散りは含水率の高い記録シートで発生し易く、乾燥した記録シートでは発生し難くなる。
【０００４】
そこで、このようなトナー飛び散りの発生を防止するものとして、定着ローラと加圧ローラとの間に静電界を形成し、この静電界とトナーの保持電荷とに基づく静電誘引力により、該トナーを記録シート上に固定した状態で未定着トナー像の定着を行う定着装置が従来から提案されている（特開昭５７−１７２３７１号公報、特開平１１−２５８９４４号公報等）。かかる定着装置において、上記定着ローラは接地された導電性コアの周囲に絶縁層を被せて形成される一方、上記加圧ローラは表面を導電層で被覆して形成されており、加圧ローラの導電層に対してトナーと逆極性のバイアス電圧が印加されるようになっている。そして、このような構成においては、かかるバイアス電圧を加圧ローラの導電層に対して印加することにより、記録シートの表裏に位置する定着ローラと加圧ローラとの間に静電界が形成され、トナー像が記録シートの受像面に電気的に固定され、前述したトナー飛び散りの発生が防止されるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年のプリンタやコピーの著しい高速化に伴い、前述の「爆発型」とは異なる新たな原因によるトナー飛び散りの発生が問題となってきている。例えば、プリンタのプロセス速度が高速化すると、トナー像を記録シートに定着する定着機においても定着ロール及び加圧ロールの回転速度を高速化しなけれはばならないが、定着ロールが高速で回転すると、その表面に沿って流れていた気流がニップ位置直前の楔状空間に対して短時間で多量に押し込まれ、行き場を失った空気が該空間から噴き出そうとするのである。これにより、前述の爆発型と同様にしてトナー飛び散りが発生する（以下、この理由によるトナー飛び散りを「破壊型」という）。この破壊型のトナー飛び散りも定着ロールの回転軸と平行に描かれた線画に関して顕著に発生するが、爆発型のトナー飛び散りが高湿環境下で発生し易いのに対し、破壊型のトナー飛び散りは低湿環境下で顕著に発生し易いといった特質がある。これは、記録シートの含水率が低いと、記録シートの抵抗値がその分高くなるので、前述の如くバイアス電圧を印加した場合であっても、トナーと逆極性の電荷が記録シートの裏面側から表面側へ移動することができず、記録シートと定着ロールとの間に形成される静電界の強度が記録シートの厚み分だけ実質的に減少してしまうからである。
【０００６】
図１０はトナー飛び散りの発生に関して定着画像を観察した結果を示すグラフであり、横軸は環境湿度を、縦軸は定着画像を観察して得られた官能評価レベルを示している。また、分図（ａ）は低・中速プリンタにおける結果を、分図（ｂ）は高速プリンタにおける結果を示している。これらのグラフを比較して把握されるように、爆発型のトナー飛び散りは高湿環境下で発生し易く、破壊型のトナー飛び散りは低湿環境下で発生し易い。また、低・中速機よりも高速機の方が破壊型のトナー飛び散りが顕著に発生している。
【０００７】
加圧ローラの導電層に対して印加するバイアス電圧を大きく設定すれば、トナーを記録シートに固定しようとする静電誘引力が強く作用することから、上記バイアス電圧は大きければ大きいほど爆発型及び破壊型いずれのトナー飛び散りも発生し難くなると言える。しかし、加圧ロールに対してトナーと逆極性のバイアス電圧を印加すると、定着ロール表面を被覆する絶縁層もトナーと逆極性に帯電してしまうことになり、バイアス電圧を大きくすると、絶縁層の表面電位も高くなってしまう。このため、加圧ロールに印加するバイアス電圧を増加させても、加圧ロールと定着ロールとの間の有効電界がその増加分だけ大きくなることはなく、有効電界の実質的増加分以上にバイアス電圧を増加させる必要が生じてしまう。一方、定着ロールの絶縁層に対して作用する電界強度について考察すると、かかる絶縁層を介して作用する電界は加圧ロールに印加したバイアス電圧によるもの、及び絶縁層の表面に保持された電荷によるものの二種類が存在し、バイアス電圧を増加すると、定着ロールの絶縁層の表面により多くの電荷が注入されることから、かかる電界強度はバイアス電圧の増加分以上に増加してしまうことになる。
【０００８】
つまり、単に加圧ロールに対して印加するバイアス電圧を増加しただけでは、トナー像の飛散防止に寄与する有効電界の増加分よりも、絶縁層に対して作用する電界強度の増加分の方が大きくなってしまうのである。このため、バイアス電圧を増加しただけでは、トナー飛び散りの防止効果よりも定着ローラの絶縁層の経時劣化の進行が顕著となり、かかる絶縁層が早期に破壊され、定着ロールと加圧ロールとの間で電気リークが発生してしまうといった問題点がある。そして、仮に両ロールの間で電気リークが発生すると、電圧降下が生じ、定着ローラと加圧ローラとの間に所望の強度の静電界を形成することが出来なくなり、トナー飛び散りの発生それ自体を防止することができなくなってしまう。
【０００９】
本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、記録シートの表面と定着ロールの表面との間には所望の強度の電界を形成しつつも、定着ローラ表面の絶縁層に対して作用する電界強度を軽減し、以て該絶縁層の破壊を回避しつつ爆発型及び破壊型双方のトナー飛び散りの発生を効果的に防止することが可能な定着装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明の定着装置は、導電性コアの周囲を絶縁層で被覆して形成されると共に未定着トナー像が転写された記録シートの受像面に当接する定着ロールと、導電層を周面に有すると共に上記定着ロールに対向配置される加圧ロールと、この加圧ロールの導電層に対して上記トナーと逆極性のバイアス電圧を印加するバイアス電源とから構成され、これら定着ロールと加圧ロールとでトナー像を担持した記録シートを挟み込み、かかる記録シートにトナー像を定着する定着装置を前提とし、上記定着ロールの絶縁層に対してトナーと同極性の電荷を注入し、かかる絶縁層の表面電位を制御する絶縁層保護手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１１】
このように、定着ロールの絶縁層の表面に対してトナーと同極性の電荷を注入するように構成すれば、通常は加圧ロールに印加したバイアス電圧の影響でトナーと逆極性に帯電してしまう定着ロールの表面電位を、積極的に０Ｖに向けて低下させ又はトナーと同極性に制御することが可能となる。このため、かかる絶縁層の表面電位がバイアス電圧の影響でトナーと逆極性に大きく帯電してしまう場合と比較して、記録シートと絶縁層との間の有効電界が大きくなり、その分だけトナーを記録シートに固定しようとする静電誘引力が大きく作用することから、トナー飛び散りの発生を効果的に防止することが可能となる。また、トナーと同極性の電荷を定着ロールの絶縁層に注入したことにより、定着ロールの絶縁層の表面電位はトナーと逆極性であっても０Ｖ近傍にコントロールされ、またはトナーと同極性にコントロールされるので、絶縁層に対してトナーと同極性の電荷を注入しない場合と比較して、かかる絶縁層に対して作用する電界強度を減じることができ、該絶縁層の経時劣化を可及的に防止することも可能となる。
【００１２】
ここで、上記絶縁層保護手段としては、上記絶縁層に対してトナーと同極性の電荷を注入するものであれば良く、例えば、かかる絶縁層に対向配置された針状電極、ブラシ給電器、ロール給電器等によって直接的に電荷を注入することができる。但し、絶縁層表面の劣化を防止するという観点からすれば、非接触状態で絶縁層に対して電荷の注入を行い得るものが好ましい。
【００１３】
一方、絶縁層に対して直接的に電荷を注入する手段を設ける場合には、定着装置に対して装着する部品点数が増加してコスト高を生じてしまう。従って、コスト的観点からすれば、加圧ロールの導電層に対してバイアス電圧を印加するバイアス電源にトナーと同極性及び逆極性の２つの電源を具備させ、記録シートの通紙時にはトナーと逆極性のバイアス電圧を、記録シートの非通紙時にはトナーと同極性のバイアス電圧を印加するように構成するのが好ましい。この構成によれば、記録シートの非通紙時にはトナーと同極性の電荷が加圧ロールの表面から定着ロールの絶縁層に対して注入されるので、やはりかかる絶縁層の表面電位を０Ｖ近傍にコントロールすることが可能となり、しかも電源の極性を切り換えるのみで実現することができるので、定着ロールに直接電荷を付与する専用手段を設ける場合と比較して安価に実施することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明の定着装置を詳細に説明する。
図１は本発明を適用した定着装置の第１実施例を示す概略図である。同図において、符号１は未定着トナー像Ｔを担持した記録シート、符号２はこの記録シート１の表面に当接する定着ローラ、符号３はこの定着ローラ２と対向配置された加圧ローラであり、上記定着ローラ２と加圧ローラ３とは所定の圧力下で当接し、挿通される記録シート１をニップするように構成されている。
【００１５】
上記定着ローラ２は金属からなる中空状の導電性コア２１の周囲をポリフルオロアルコキシポリテトラフルオロエチレン（ＰＦＡ）等からなる厚さ３０μｍの絶縁層２２で被覆したものであり、導電性コア２１は接地されると共にその内部にはトナーを加熱溶融させるためのヒータ２３が配設されている。かかる絶縁層２２は導電性コア２１の表面に絶縁性材料をコーティングしたものであっても差し支えないが、これによる場合は絶縁層２２に凹凸やピンホールが発生し易くなり、経時的に劣化した場合に絶縁破壊が生じ、バイアス電圧が印加された加圧ローラ３との間で電気リークが発生し易い。そのため、この実施例では高分子材料を円筒状に成形した絶縁性チューブをプライマーで処理された導電性コア２１に被せ、かかる絶縁性チューブを加熱収縮させて導電性コア２１の周囲に密着させることにより上記絶縁層２２を形成している。絶縁性チューブによる絶縁層２２の表面はコーティングによる絶縁層２２の表面と比較して滑らかであり、しかもピンホールも少ないので、コーティングによる場合よりも絶縁破壊の危険性が低下し、加圧ローラ３との間の電気リークを可及的に防止することができる。尚、定着ローラ２の周面の絶縁性を向上させるため、絶縁層２２の形成に先立って、導電性コア２１の表面にアルマイト処理等を施しても良い。
【００１６】
一方、上記加圧ローラ３は、シャフト３１の周囲にシリコンゴム等からなる絶縁性の弾性層３２を設けると共に、かかる弾性層３２の周囲を表面抵抗率１０⁶Ω／ｃｍ²、厚さ１００μｍの導電層３３で被覆して形成されている。かかる導電層３３はカーボンブラックを分散させて表面抵抗率を調整したＰＦＡ等からなり、前述した定着ローラ２の絶縁層２２と同様、円筒状に成形されたチューブを弾性層３２の周囲に被せて形成されている。また、この導電層３３には加圧ローラ３の軸方向の両端において給電用ブラシ３４が接触しており、かかる給電用ブラシ３４にはバイアス電源３５からバイアス電圧が印加されている。この実施例においては記録シート１上に付着しているトナーＴがマイナス極性に帯電している場合に合わせ、プラス極性のバイアス電圧を印加している。尚、トナーＴがプラス極性に帯電している場合にはマイナス極性のバイアス電圧を印加することになる。
【００１７】
また、この第１実施例の定着装置では上記定着ローラ２の表面に対向して鋸歯状の先端を有する放電電極４（以下、「帯電ＳＡＷ」という）を設け、この帯電ＳＡＷ４に対してトナーと同極性のバイアス電圧を印加している。この帯電ＳＡＷ４は定着ロール２の回転軸方向に沿って延びる金属板であり、鋸歯状に形成された一辺が１．２ｍｍの間隙を保って定着ロール２と対向している。そして、この帯電ＳＡＷ４に対して電源４０から−２．４ｋＶの直流バイアス電圧を印加することにより、上記絶縁層２２の表面にトナーと同極性のマイナス電荷が付与されるようになっている。尚、帯電ＳＡＷ４と絶縁層２２との間に流れる電流は電流リミッタによって最大４μＡに制御されている。
【００１８】
このような構成により、加圧ローラ３の導電層３３と定着ローラ２の導電性コア２１との間には記録シート１の裏面から表面に向かう静電界が形成され、トナー像Ｔの転写された記録シート１がこれらローラ２，３の間に挿通されると、マイナス極性に帯電したトナーＴは静電誘引力によって加圧ローラ３に向けて引っ張られる。その結果、トナーＴは記録シート１の表面に積極的に固定された状態で定着ローラ２と加圧ローラ３との間に突入し、記録シート１に定着される。
【００１９】
図２は、加圧ロール３の導電層３３に対して＋３４０Ｖのバイアス電圧を印加し、上記帯電ＳＡＷ４に対してバイアス電圧を印加しないときの、定着ロール２と加圧ロール３とのニップ部の電位状態を説明する概念図である。このとき、加圧ロール３の導電層３３に対して＋３４０Ｖのバイアス電圧を印加すると、定着ロール２の絶縁層２２の表面電位は＋２００Ｖ程度にチャージアップされることが確認されている。加圧ロール３の導電層３３は＋３４０Ｖに保たれる一方、絶縁層２２の表面電位は＋２００Ｖに帯電するのであるから、この場合、これら導電層３３と絶縁層２２との間には加圧ロール３から定着ロール２へ向けて＋１４０Ｖの電界が形成されていることになり、これがトナー像Ｔを記録シート１に固定するための有効電界の大きさということになる。
【００２０】
次に、図２の状態で定着ロール２の絶縁層２２に対して作用する電界強度を計算してみる。かかる電界強度は、加圧ロール３に印加されたバイアス電圧によるものと、定着ロール２の表面電位によるものとの和として計算することができ、記録シート１が定着ロール２と加圧ロール３との間に通紙されていない状態では絶縁層２２の厚みだけを考慮すれば良いことになる。従って、以下の式▲１▼によって計算することができる。
（加圧ロールのバイアス電圧＋定着ロールの表面電位）／絶縁層の厚さ …▲１▼
この式によって絶縁層２２に作用する電界強度を計算すると、１６．３ｋＶ／ｍｍになる。
【００２１】
一方、図３は、前述の帯電ＳＡＷ４に対してバイアス電圧を印加した際の、定着ロール２と加圧ロール３とのニップ部の電位状態を説明する概念図である。帯電ＳＡＷ４に対して前記したバイアス電圧を印加すると、トナーＴと同極性の電荷が絶縁層に対して注入され、かかる帯電ＳＡＷ４の対向位置を通過してニップ部に至るまでの定着ロール２の表面電位は−２００Ｖ程度に達する。加圧ロール３の導電層３３は＋３４０Ｖに保たれる一方、絶縁層２２の表面電位は−２００Ｖに帯電するのであるから、この場合、これら導電層３３と絶縁層２２との間には加圧ロール３から定着ロール２へ向けて＋５４０Ｖの電界が形成されていることになり、これがトナー像Ｔを記録シート１に固定するための有効電界の大きさということになる。つまり、帯電ＳＡＷ４によってトナーＴと同極性の電荷を絶縁層に注入しなかった図２の場合と比較して、有効電界の大きさが著しく増加したことになる。これにより、帯電ＳＡＷ４を機能させた場合には、トナー像Ｔが記録シート１に対して強固に固定された状態で該記録シート１がニップ部に突入することになり、トナー飛び散りの発生を効果的に防止することができるものである。
【００２２】
また、図３の状態で定着ロール２の絶縁層２２に対して作用する電界強度を計算してみる。この場合も電界強度は、加圧ロール３に印加されたバイアス電圧によるものと、定着ロール２の表面電位によるものとの和として計算することができるので、前記した式▲１▼を用いて計算することができる。そして、その計算結果によれば、絶縁層２２に対して作用している電界強度は４．７ｋＶ／ｍｍとなり、帯電ＳＡＷ４を機能させなかった図２場合と比較して、電界強度が著しく減少していることが伺われる。これは、絶縁層２２の表面がトナーＴと同極性のマイナス極性に帯電していることから、かかる表面電位による電界強度の向きが加圧ロール３のバイアスの電圧による電界強度の向きと逆向きになり、前者によって後者が減殺されたからである。これにより、帯電ＳＡＷ４を機能させて絶縁層２２の表面にトナーＴと同極性の電荷を注入した場合にはた、かかる絶縁層２２に対して作用する電界強度が減じられ、該絶縁層２２の経時劣化を抑止して絶縁破壊の発生を有効に防止し得るものである。
【００２３】
従来のように帯電ＳＡＷ４を設けず、加圧ロール３の導電層３３に対してのみバイアス電圧を印加した場合には、定着ロール２の絶縁層２２の表面は加圧ロール３に印加されたバイアス電圧の強度に応じて同極性に帯電することになり、かかるバイアス電圧を増強しても、導電層３３と絶縁層２２との間の有効電界はバイアス電圧の増強分程には増加しない。また、絶縁層２２の表面がバイアス電圧の増強に伴って該バイアス電圧と同極性にチャージアップすることから、かかる絶縁層２２に対して作用する電界強度はバイアス電圧の増強分以上に増加し、絶縁層２２の経時劣化が著しく進行することになる。これに対し、本実施例のように帯電ＳＡＷ４を設けて絶縁層２２にトナーＴと同極性の電荷を注入し、かかる絶縁層２２の表面電位がトナーＴと同極性側へ変位するように積極的に制御した場合には、それだけで導電層３３と絶縁層２２との間の有効電界を増加させることができ、しかも絶縁層２２に対して作用する電界強度を著しく減じることができ、トナー飛び散りの発生、並びに定着ロール３と加圧ロール２との間の電気リークの発生といった問題を一気に解消することができるものである。また、加圧ロールに印加するバイアス電圧を増強した場合であっても、かかるバイアス電圧によって絶縁層がチャージアップするのを防止し得ることから、導電層３３と絶縁層２２との間の有効電界はバイアス電圧の増強分に見合った大きさだけ増加することになり、僅かなバイアス電圧の増加でもトナー飛び散りの防止効果を期待することができるものである。
【００２５】
図４は、この第１実施例の定着装置を用いてトナー像の定着を行い、トナー飛び散りの発生に関して定着画像を観察した結果を示すグラフであり、横軸は環境湿度を、縦軸は定着画像を観察して得られた官能評価レベルを示している。図１０のグラフに示した従来の場合と比較して、爆発型及び破壊型いずれのトナー飛び散りについても発生レベルが低下していることが把握できる。
【００２６】
尚、上記帯電ＳＡＷ４には電流リミッタ付きの直流電圧を印加したが、その場合、絶縁層２２の表面が加圧ロール３側のバイアス電圧によって既にトナーと逆極性に帯電していることを考慮すれば、トナーと同極性の直流電圧に交流電圧を重畳したバイアス電圧を帯電ＳＡＷ４に対して印加するのが好ましい。このようなバイアス電圧は既に帯電している絶縁層２２の表面を一旦除電する効果に富んでおり、単に直流電圧をバイアス電圧として印加する場合と比較して、絶縁層の表面電位を安定した逆極性電位に帯電させることができる。
【００２７】
図５は本発明を適用した定着装置の第２実施例を示すものである。
この第２実施例では定着ロール２の絶縁層２２に対して直接的にトナーＴと同極性の電荷を注入する部材を設けず、加圧ロール３に対して印加するバイアス電圧の極性を記録シート１の通紙、非通紙に応じて切り換えるように構成した。その他の構成は前記第１実施例と同一なので、図５中に第１実施例と同一の符号を付し、ここではその詳細な説明は省略する。
【００２８】
加圧ロール３に対してバイアス電圧を印加するバイアス電源３６は極性の異なる二つの電源を備えており、記録シート１の搬送に同期した所定のタイミングでいずれか一方の電源を給電用ブラシ３４に接続するように構成されている。図６は加圧ロール３に印加するバイアス電圧の切換タイミングを示したチャートである。先ず、定着ロール２が回転を開始したら、かかる回転開始のタイミングに時間ｔ１だけ遅れてバイアス電圧が印加される。このように印加開始のタイミングを回転開始のタイミングから僅かに遅らせているのは、定着ロール２の停止時に加圧ロール３と接していた絶縁層２２の部位は高温になっていることが予想され、絶縁破壊は温度が高いほど発生し易いからである。回転開始のタイミングから僅かに遅れてバイアス電圧の印加を開始すれば、停止状態でのバイアス電圧印加を回避すると共に、絶縁層２２の高温の領域を避けてバイアス電圧を印加することができ、かかる絶縁層２２の経時劣化を極力抑えることが可能になる。
【００２９】
この定着ロール２の回転開始直後に印加されるバイアス電圧はトナーＴと同極性であり、これによって加圧ロール３の導電層３３と接する定着ロール２の絶縁層２２にはトナーＴと同極性（マイナス）の電荷が注入される。この後、トナー像Ｔを担持した１枚目の記録シート１の先端が定着ロール２と加圧ロール３のニップ部に突入してくる直前に、かかるバイアス電圧をトナーＴと逆極性（プラス）に切り換える。これにより、加圧ロール３から定着ロール２へと向かう電界が形成され、マイナス電荷を有するトナーＴは記録シート１上に静電誘引力で固定される。更に、１枚目の記録シート１の後端が定着ロール２と加圧ロール３のニップ部を抜けたならば、バイアス電圧を再びトナーと同極性に切り換え、１枚目の記録シート１と２枚目の記録シート１との間のインターバルでそのバイアス電圧を維持する。そして、２枚目の記録シート１の先端が定着ロール２と加圧ロール３のニップ部に突入してくる直前に、かかるバイアス電圧を再びトナーＴと逆極性（プラス）に切り換える。すなわち、記録シート１の通紙中はトナーＴと逆極性のバイアス電圧を加圧ロール３の導電層３３に印加し、記録シート１の通紙前後においてはトナーＴと同極性のバイアス電圧を加圧ロール３の導電層３３に印加する。そして、最終の記録シート１の後端が定着ロール２と加圧ロール３のニップ部を抜けたならば、もう一度、トナーＴと同極性のバイアス電圧を印加し、この後にバイアス電圧の印加を終了する。
【００３０】
従来は、定着ロール２が回転を開始すると、総ての記録シート１の通紙が終わる迄の間は加圧ロール３の導電層３３に対してトナーＴと逆極性のバイアス電圧を印加し続けていたが、これだと上記導電層３３と接する定着ロール２の絶縁層２２に対してトナーＴと逆極性の電荷が多量に注入されてしまい、かかる絶縁層２２がトナーＴと逆極性に大きく帯電してしまう。しかし、この実施例に示すように、記録シート１の非通紙時間だけでもトナーＴと同極性（マイナス）のバイアス電圧を加圧ロール３の導電層３３に対して印加するように構成すると、かかる時間帯では定着ロール２の絶縁層２２に対してトナーＴと同極性（マイナス）の電荷が加圧ロール３を経由して注入されることになる。このため、記録シート１の通紙中にトナーＴと逆極性（プラス）のバイアス電圧を加圧ロール３の導電層３３に印加しても、先に絶縁層２２に注入されていたマイナス電荷が後から注入されたプラス電荷と打ち消しあい、絶縁層２２がトナーＴと逆極性に大きく帯電するのを防止することができる。
【００３１】
図７は、記録シート１の通紙時における定着ロール２と加圧ロール３とのニップ部の電位状態を説明する概念図である。この図では、記録シート１の通紙時にトナーＴと逆極性である＋３４０Ｖのバイアス電圧を、非通紙時にトナーＴと同極性の−３４０Ｖのバイアス電圧を加圧ロール３の導電層３３に対して印加したと想定している。本願発明者が実験によって確認したところによれば、図６のタイミングチャートに従って非通紙時に−３４０Ｖのバイアス電圧を導電層３３に対して印加し、通紙時に＋３４０Ｖのバイアス電圧を導電層３３に対して印加すると、定着ロール２の絶縁層２２の表面電位は第１実施例の如くマイナス電位とはならないものの、＋６０Ｖ程度に抑えられることが確認された。通紙時における加圧ロール３の導電層３３は＋３４０Ｖに保たれる一方、絶縁層２２の表面電位は＋６０Ｖに帯電するのであるから、この場合、これら導電層３３と絶縁層２２との間には加圧ロール３から定着ロール２へ向けて＋２８０Ｖの電界が形成されていることになり、これがトナー像Ｔを記録シート１に固定するための有効電界の大きさということになる。第１実施例中で述べた通り、＋３４０Ｖのバイアス電圧を印加し続けた場合の有効電界は＋１９０Ｖ程度であるから、これにより、非通紙時に加圧ロール３の導電層３３に対してトナーＴと同極性のバイアス電圧を印加することによっても、トナー像Ｔが記録シート１に対して強固に固定された状態で該記録シート１がニップ部に突入することになり、トナー飛び散りの発生を効果的に防止することができることが理解される。
【００３２】
図８は、この第２実施例の定着装を用いてトナー像の定着を行い、トナー飛び散りの発生に関して定着画像を観察した結果を示すグラフであり、横軸は環境湿度を、縦軸は定着画像を観察して得られた官能評価レベルを示している。図１０のグラフに示した従来の場合と比較して、爆発型及び破壊型いずれのトナー飛び散りについても発生レベルが低下していることが把握できる。
【００３３】
また、図７の状態で定着ロール２の絶縁層２２に対して作用する電界強度を計算してみる。この場合も電界強度は、加圧ロール３に印加されたバイアス電圧によるものと、定着ロール２の表面電位によるものとの和として計算することができるので、第１実施例で示した式▲１▼を用いて計算することができる。非通紙時には加圧ロール３の導電層３３は−３４０Ｖに保たれており、また、絶縁層２２の表面電位は前述の如く＋６０Ｖ程度であるから、これら両者による電界は互いに逆向きで打ち消し会い、計算された電界強度の絶対値は９．３３ｋＶ／ｍｍになる。一方、通紙時には加圧ロール３の導電層３３は＋３４０Ｖに保たれており、また、絶縁層２２の表面電位は前述の如く＋６０Ｖ程度であるから、計算された電界強度の絶対値は１３．３３ｋＶ／ｍｍになる。第１実施例中で述べた通り、＋３４０Ｖのバイアス電圧を加圧ロール３に印加し続けた場合に、絶縁層２２に作用する電界強度の絶対値は１６．３ｋＶ／ｍｍであるから、この第２実施例においても従来と比較して絶縁層２２に作用する電界強度の大きさが著しく減少したことになる。これにより、非通紙時に加圧ロール３の導電層３３に対してトナーＴと同極性のバイアス電圧を印加した場合には、かかる絶縁層２２に対して作用する電界強度が減じられ、該絶縁層２２の経時劣化を抑止して絶縁破壊の発生を有効に防止することができる。
【００３４】
この第２実施例の構成においては、非通紙時間、すなわちトナーＴと同極性のバイアス電圧を加圧ロール３の導電層３３に対して印加している時間が長ければ長い程、定着ロール２の絶縁層２２の表面電位がトナーＴと同極性側に変位していくことになる。そして、第１実施例と第２実施例との対比から明らかなように、絶縁層２２がトナーＴと同極性に帯電した状態で記録シート１の通紙が行われた方が、加圧ロール３の導電層３３と定着ロール２の絶縁層２２との間の有効電界を大きく設定することが可能となり、その分だけトナー飛び散りの発生を効果的に防止することが可能となる。また、通紙時に絶縁層２２に対して作用する電界強度も減じられることになる。従って、この第２実施例の定着装置では、定着トナー像におけるトナー飛び散りの発生状況に応じて、非通紙時間の長さを変化させるように構成すると有効である。例えば、トナー像Ｔの定着が行われる記録シート１の種類やその時の温度・湿度等の環境条件が変動すると、トナー飛び散りの発生し易さも変動することから、これら定着条件の変化に応じ、１枚目の記録シートの通紙前にトナーＴと同極性のバイアス電圧を印加している時間ｔ２を変化させ、トナー飛び散りが発生し易い条件のときはｔ２を延長するのが好ましい。また、記録シート１の通紙時間の合間の非通紙時間ｔ３（インターバルタイム）を延長したり、定着ロール停止までの時間ｔ４を延長するように構成しても良い。
【００３５】
一方、この定着装置が搭載されるプリンタやコピーにおいては、記録シート１の通紙時間の合間のインターバルタイムを長く設定するとプリント物の生産性が損なわれるので、この時間を余り長く設定することはできないといった事情もある。しかし、１枚目の記録シートの通紙前の時間ｔ２をある程度長く設定することができるのであれば、通紙前にトナーと同極性の電荷を定着ロール２の絶縁層２２に対して十分に注入することができ、必ずしも総ての非通紙時間においてトナーと同極性のバイアス電圧を印加せずとも、トナー飛び散りの発生を有効に防止することが可能と考えられる。逆に、非通紙時間の長さが一定以下の場合にバイアス電源が短時間でスイッチングを繰り返し行うと、電波ノイズが発生し、その他の弊害が発生してしまう懸念がある。従って、これらの観点からすれば、非通紙時間の長さが一定以下の場合には、かかる非通紙時間においてもトナーと逆極性のバイアス電圧を加圧ロール３の導電層３３に対して印加する（極性切換の中止）のが好ましい。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明の定着装置によれば、定着ロールの絶縁層の表面に対してトナーと同極性の電荷を注入するように構成し、通常は加圧ロールに印加したバイアス電圧の影響でトナーと逆極性に帯電してしまう定着ロールの表面電位を、積極的に０Ｖに向けて低下させ又はトナーと同極性に制御しているので、記録シートの表面と定着ロールの表面との間には所望の強度の電界を形成しつつも、定着ローラ表面の絶縁層に対して作用する電界強度を軽減し、以て該絶縁層の破壊を回避しつつ爆発型及び破壊型双方のトナー飛び散りの発生を効果的に防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した定着装置の第１実施例を示す概略図である。
【図２】従来の定着装置における定着ロールと加圧ロールのニップ部の電位状態を示す概略図である。
【図３】第１実施例の定着装置における定着ロールと加圧ロールのニップ部の電位状態を示す概略図である。
【図４】第１実施例の定着装置におけるトナー飛び散りの発生レベルを示すグラフである。
【図５】本発明を適用した定着装置の第２実施例を示す概略図である。
【図６】第２実施例の定着装置におけるバイアス電圧の切換タイミングを示すチャートである。
【図７】第２実施例の定着装置における定着ロールと加圧ロールのニップ部の電位状態を示す概略図である。
【図８】第２実施例の定着装置におけるトナー飛び散りの発生レベルを示すグラフである。
【図９】「爆発型」のトナー飛び散りの発生のメカニズムを示した拡大図である。
【図１０】従来の定着装置におけるトナー飛び散りの発生レベルを示すグラフである。
【符号の説明】
１…記録シート、２…定着ローラ、３…加圧ローラ、２２…絶縁層、３３…導電層、３５…バイアス電源、Ｔ…トナー像

Claims

導電性コアの周囲を絶縁層で被覆して形成されると共に未定着トナー像が転写された記録シートの受像面に当接する定着ロールと、導電層を周面に有すると共に上記定着ロールに対向配置される加圧ロールと、この加圧ロールの導電層に対して上記トナーと逆極性のバイアス電圧を印加するバイアス電源とから構成され、これら定着ロールと加圧ロールとでトナー像を担持した記録シートを挟み込み、かかる記録シートにトナー像を定着する定着装置において、上記定着ロールの絶縁層に対してトナーと同極性の電荷を注入し、かかる絶縁層の表面電位を制御する絶縁層保護手段を設けたことを特徴とする定着装置。
上記絶縁層保護手段は、上記定着ロールと対向配置され、かかる絶縁層に対してトナーと同極性の電荷を付与する帯電手段であることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
上記バイアス電源は加圧ロールに対してトナーと同極性バイアス電圧又はトナーと逆極性のバイアス電圧のいずれか一方を選択的に印加するように構成され、記録シートの通過時にはトナーと逆極性のバイアス電圧を、記録シートの非通過時にはトナーと同極性のバイアス電圧を印加することで上記絶縁層保護手段として機能することを特徴とする請求項１記載の定着装置。
加圧ロールに対するバイアス電圧の印加は、かかる加圧ロールの回転開始から遅れて行われることを特徴とする請求項３記載の定着装置。
記録シートの非通過時間が一定以下の場合には、かかる非通過時間においてもトナーと逆極性のバイアス電圧を加圧ロールに対して印加することを特徴とする請求項３記載の定着装置。
記録シートの非通過時間を任意に調整することが可能な請求項３記載の定着装置。