JP4137579B2

JP4137579B2 - 定着装置及び画像形成装置

Info

Publication number: JP4137579B2
Application number: JP2002290584A
Authority: JP
Inventors: 智明菅原; 正治田中; 達哉佐藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-10-03
Filing date: 2002-10-03
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2022-10-03
Also published as: JP2004126254A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電子写真方式の複写機やプリンタ等で記録媒体に転写したトナー像を定着する定着装置及び画像形成装置、特に離型性の向上に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開昭６０−２４７２５０号公報
【特許文献２】
特開平１０−２２１９９１号公報
【特許文献３】
特開２０００−１２５４１４号公報
電子写真方式を使用した複写機等の画像形成装置で記録紙に転写したトナー像を定着する定着装置には熱ローラ方式の定着装置が多く用いられている。この定着装置は内部に熱源を有し、表面をトナーに対し離型性を有する材料、例えばシリコーンゴムやフッ素樹脂で形成した定着ローラと加圧ローラを圧接回転させ、両ローラの圧接部をなすニップを通過する記録紙上の未定着トナー像を加熱加圧して定着する。この熱ローラ方式の定着装置は、定着ローラの表面と記録紙上のトナー像とが加圧下で接触するため、トナー像を記録紙上に融着する際の熱効率が極めて良好であり、迅速に定着を行なうことができ、高速度電子写真複写機等において非常に有効である。しかしながら、定着ローラ表面とトナー像とが溶融状態で、かつ加圧下で接触するため、トナー像の一部が定着ローラ表面に付着して転移し、次の記録紙を汚すというオフセット現象が生じる。この定着ローラの表面に対してトナーが付着しないようにすることは、熱ローラー定着方式の必須条件の一つとされている。
【０００３】
また、フルカラーの場合では、色材の３原色であるイエロー、マゼンタ、シアンの３色のトナー又はそれに黒色トナーを加えた４色のトナーを用いて色再現を行なうものであり、多色面像を紙上に定着したり、オーバーヘッドプロジェクターシート（ＯＨＴ）に定着するが、色再現性と透過性を満足しなくてはならない。このためトナー層を充分に溶融し、画像表面を平滑にすることが要求され、オフセットを防止する目的で、定着ローラに例えばシリコーンオイル等を供給しローラ上に均一に被覆する方法が現在の主流となっている。
【０００４】
この方法はトナーのオフセットを防止する点では極めて有効であるが、オフセット防止用液体を供給するための装置が必要なため、定着装置が複雑になるという短所を有しており、小型で安価なシステムを設計する上での阻害因子となっている。さらに、プレゼンテーション用としての必要性が増しているオーバーヘッドプロジェクターを利用するトランスペアレンシーフィルム（ＯＨＰフィルム）においては、紙と異なりオイル吸収能力が低いため、定着後のＯＨＰフィルム表面のべたつきが問題となっている。このような背景からオイルレス又はオイルの塗布量の少ない定着が可能な定着装置が強く求められている。
【０００５】
このため、例えば特許文献１等に示されているように、離型剤として固形シリコーンワニスや高級脂肪酸又は高級アルコール各種ワックス等をトナーに添加することが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらトナーに固形シリコーンワニスや高級脂肪酸又は高級アルコール各種ワックス等の離型剤をある量以上だけ添加すると、現像中に離型剤がトナーから遊離して感光体やキャリアに付着するいわゆるフィルミングやスペントが発生するという短所がある。
また、特に破砕系のトナーでは、トナー表面に現れて離型性に寄与する離型剤の量が添加量に比して少ないため、長期にわたって安定して良質の画像を形成することは困難であった。特に高光沢度の画像が必要な場合には、加圧力を挙げる必要があり、特許文献２に示すように、低加圧力での対応が難しく、また、特許文献３に示すように、重合トナーのようなトナーを用いないと離型性を維持することが困難である。
【０００７】
この発明はかかる短所を改善し、少ない離型剤で離型性を確保するとともにオフセットがしにくく、良質な画像を安定して定着することができる定着装置及び画像形成装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る定着装置は、熱源を内蔵する定着ローラの未定着現像剤及び固体の離型剤と接触する表面に、熱伝導性を有するフィラー含有量が異なる硬いフッ素樹脂層の領域と柔らかいフッ素樹脂層の領域とを混在させた表面離型層を設け、該表面離型層に圧接した現像剤中のトナーにより前記柔らかいフッ素樹脂層の部分が窪んで微細溝を形成し、この微細溝に軟化した離型剤を入り込ませて毛細管現象により広範囲に広げる。
【００１０】
また、表面離型層の表面全面に、記録媒体の移動方向に沿った平行な微細溝を設け、定着ローラに圧接した現像剤の表面に現れた離型剤を定着ローラの柔らかいフッ素樹脂の部分が窪んで形成された微細溝と記録媒体の移動方向に沿った平行な微細溝内に入り込ませて広範囲に広げる。
【００１１】
さらに、微細溝表面の現像剤に含浸した離型剤に対するぬれ性の良い部分として親油性粉体を含ませることにより、微細溝に入り込んだ離型剤をより広範囲に広げる。
【００１２】
また、表面離型層表面の表面粗さＲｚを５μｍ以下することにより、ぬれ性をより高める。
【００１３】
この定着装置を画像形成装置に使用することにより、安定した画像を記録媒体に定着することができるとともに、定着ローラの表面が現像剤により汚れることを防ぐ。
【００１４】
さらに、この定着装置を使用して、離型剤としてワックス含有の現像剤を用いて画像を形成することにより、良質な画像を安定して形成する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明のデジタル複写機の構成図である。図に示すように、デジタル複写機１は複写機本体２と原稿自動送り装置（以下、ＡＤＦという）３と自動仕分け装置４とを有する。複写機本体２は原稿読取ユニット５と書込ユニット６とエンジン部７と給紙ユニット８を有する。原稿読取ユニット５は光源と複数のミラーを有するキャリッジ９とレンズ１０とＣＣＤ１１及びバッファ１２を有し、ＡＤＦ３で送られた原稿を走査して読み取る。書込ユニット６はレーザ光源やポリゴンミラー等を有し、画像情報を含むレーザビーム１３をエンジン部７に出射する。エンジン部７は、画像形成ユニット１４と１次転写ユニット１５と２次転写ユニット１６及び定着ユニット１７を有する。画像形成ユニット１４は、感光体１８の周囲に配置された帯電チャージャ１９と書込ユニット５からのレーザビーム１３の照射部とシアン（Ｃ），マゼンタ（Ｍ），イエロー（Ｙ），ブラック（Ｋ）からなるカラー現像部２０及びドラムクリーニング部２１を有し、帯電チャージャ１９で帯電した感光体１８上にレーザビーム１３で静電潜像を形成し、形成した静電潜像をカラー現像部２０で可視化してトナー像を形成する。１次転写ユニット１５は中間転写ベルト２２と１次転写部２３とテンションローラ２４と２次転写ローラ２５とクリーニング部２６及び基準位置センサ２７を有し、感光体１８に形成されたトナー像を中間転写ベルト２２に１次転写する。中間転写ベルト２２は、このデジタル複写機１における最大転写紙サイズであるＡ３よりも大きく形成されており、使用する転写紙がＡ４サイズ以下の場合には、２面分のトナー像を保持することができる。この中間転写ベルト２２は感光体１８上のトナー像を１次転写するとき以外は図示しない接離機構によって感光体１８表面から離れ、中間転写ベルト２２に画像を１次転写するときだけ感光体１８表面に圧接される。２次転写ユニット１６は中間転写ベルト２２に転写されたトナー像を記録紙に２次転写する。定着ユニット１７は記録紙に転写されたトナー像を熱と圧力で定着する。給紙ユニット８は複数の給紙カセット２８ａ〜２８ｃと手差トレイ２９を有し、記録紙を２次転写ユニット１６に送る。
【００１６】
ＡＤＦ３は読み取る原稿を原稿読取ユニット５に送り、原稿読取ユニット５で読み取った原稿を回収する。自動仕分け装置４は複数段の仕分けビン３０ａ〜３０ｎを有し、画像が形成された記録紙を仕分けして排出する。
【００１７】
このデジタル複写機１で原稿読取ユニット５で読み取った原稿の画像形成サイクルが始まると、形成する画像が１色の場合は、読み取った原稿の画像データにより感光体１８にトナー像を形成し、形成されたトナー像を中間転写ベルト２２に１次転写する。２次転写ユニット１６は中間転写ベルト２２に転写されたトナー像の先端に合わせて給紙された記録紙にトナー像を２次転写する。トナー像を転写した記録紙は定着ユニット１７に送られ加熱，加圧して定着される。トナー像が定着された記録紙は自動仕分け装置４に排出される。また、中間転写ベルト２２に残留しているトナーはクリーニング部２６で回収する。
【００１８】
形成する画像が２色以上の場合は、中間転写ベルト２２に設けた基準マークを基準位置センサ２７で検出したことを基準にして原稿読取ユニッ５で原稿を読み取り、読み取った画像データを画像メモリに格納し、この画像データにより感光体１８に第１色目のトナー像を形成し、感光体１８に形成したトナー像を中間転写ベルト２２に１次転写する。引き続いて画像メモリに格納された画像データにより感光体１８に第２色目のトナー像を形成し、感光体１８に形成したトナー像を中間転写ベルト２２に１次転写する。この感光体１８に対する画像形成と中間転写ベルト２２に対する１次転写を各色毎に繰り返す。すなわち、２色の画像を形成する場合には中間転写ベルト２２を２回転し、フルカラーの画像を形成する場合には中間転写ベルト２２を４回転して、各回転毎に感光体１８に形成されたトナー像を中間転写ベルト２２に１次転写して各色の画像を位置ずれなしに重ね合わせる。所定の色のトナー像を中間転写ベルト２２に転写したら、中間転写ベルト２２に転写されたトナー像の先端に合わせて給紙された記録紙にトナー像を２次転写し、定着ユニット１７で加熱，加圧して定着する。
【００１９】
また、基準サイズ例えばＡ４サイズで縦向きの原稿の画像のトナー像を２面分同時に中間転写ベルト２２に転写する２面取りモードのときは、１面目のトナー像を中間転写ベルト２２に転写してから中間転写ベルト２２の周長と原稿サイズで定まる所定のタイミングをおいて２面目のトナー像を中間転写ベルト２２に転写する。フルカラーの画像を形成する場合には中間転写ベルト２２を４回転して、各回転毎に感光体１８に形成されたトナー像を中間転写ベルト２２に１次転写して各色の画像を位置ずれなしに重ね合わせる。所定の色のトナー像を中間転写ベルト２２に転写したら、中間転写ベルト２２に転写された各トナー像の先端に合わせて給紙された記録紙にトナー像を２次転写し、定着ユニット１７で加熱，加圧して定着して、画像が形成された２枚の記録紙を連続的に排出する。このようにして画像形成効率を高めることができる。
【００２０】
このデジタル複写機１の定着ユニット１７は定着ローラ３１と加圧ローラ３２を有する。定着ローラ３１は、図２の断面図に示すように、ヒータ３３を内蔵し、加圧ローラ３２とのニップ部で記録紙に転写されたトナー像を加熱加圧して記録紙に定着する。この定着ローラ３１はアルミニウム等の金属の芯金３４の表面にＰＡＩ等のプライマー層等の弾性層３５を有し、弾性層３５の外面に表面離型層３６を積層している。加圧ローラ３２もヒータ３７を内蔵した芯金３８の外面に表面離型層３９を有する。この定着ローラ３１と加圧ローラ３２の温度は温度検出手段４０，４１で検出されて制御される。そして加圧ローラ３２を定着ローラ３１に押圧し、記録紙４２に転写されたトナー４３と固体の離型剤４４を加熱加圧して記録紙４２に定着してトナー像４５を形成する。
【００２１】
定着ローラ３１の外周面を構成する表面離型層３６は、フィラー含有量が異なる少なくとも２種類のフッ素樹脂層、例えば図３の部分拡大断面図に示すように、硬いフッ素樹脂層４６と柔かいフッ素樹脂層４７が設けられている。この定着ローラ３１と加熱ローラ３２のニップ部で記録紙４２に転写されたトナー４３と固体の離型剤４４を加熱溶融して記録紙４２に定着するとき、図３に示すように、定着ローラ３１の表面離型層３６にトナー４３が圧接すると、圧接したトナー４３により柔かいフッ素樹脂層４７の部分が窪んで溝４８が形成される。この溝４８にトナー４３の表面に溶融して現れた離型剤４４が入り、毛細管現象で広範囲に広がる。したがってトナー４３が定着ローラ３１の表面に張り付くことを防ぐことができ、安定したトナー像４５を記録紙４２に定着することができるとともに、定着ローラ３１の表面がトナー４３により汚れることを防ぐことができる。
【００２２】
この定着ローラ３１の表面離型層３６を形成する硬いフッ素樹脂層４６と柔かいフッ素樹脂層４７に含有するフィラーとして熱伝導性があるフィラーを使用することにより、表面離型層３６の熱分布を良くすることができ、トナー４３の表面に現れた離型剤４４をより溶かし易くして離型性を向上させることができる。この熱伝導性フィラーとしては、１０^−３ｃａｌ／ｓ・ｃｍ・℃以上の伝熱係数を有する材料を使用すれば良い。このような材料として、例えばダイヤモンドや銀、銅、アルミニウム、大理石、ガラス等があるが、実用的にはシリカやアルミナ、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、酸化ベリリウムを使用すれば良い。また、ポリイミド系樹脂との複合材において熱伝導を左右する要因としてはフィラーの充填量、形状、サイズ、分散形態等あるが、充填量はポリイミド系樹脂１００重量部に対し、0.1〜50重量部が好ましい。充填量が0.1重量部未満であると熱伝導効果が十分発揮できない傾向があり、50重量部を超えると、バインダーとなるポリイミド系樹脂との接着面積が減少し、強度の低下が激しくなる傾向があるためである。
【００２３】
また、定着ローラ３１の表面離型層３６に、図４の斜視図に示すように、円周方向に沿って複数の微細溝４９を形成しても良い。このように表面離型層３６に微細溝４９を形成すると、定着ローラ３１の表面離型層３６にトナー４３が圧接して柔かいフッ素樹脂層４７の部分が窪んで形成された溝４８と微細溝４９の両方に、トナー４３の表面に現れた離型剤４４が入って毛細管現象で広範囲に広がり、トナー４３が定着ローラ３１の表面に張り付くことをより確実に防ぐことができる。
【００２４】
さらに、定着ローラ３１の表面離型層３６のぬれ性を向上させると、より定着ローラ３１の離型性を高めることができる。そこで、図５の拡大断面図に示すように、定着ローラ３１の表面剥離層３６に親油性のカーボン粉体５０を分散させ、微細溝４９を切込みで形成して、微細溝４９の表面にカーボン粉体５０を露出させると良い。一般に、母材のポリマーにきれいに分散された粉体は、その表面が母材で覆われている。この表面にコランダムなどの硬質粒子により微小溝形状の切れ込みを入れると、表面の母材を残しながら溝の部分で粉体が局部的に表面に現れて露出する。このようにして定着ローラ３１の微細溝４９に親油性のカーボン粉体５０を露出させることにより、微細溝４９表面の離型剤に対するぬれ性を高めることができ、トナー４３に含まれる離型剤４４が微細溝４９に入り込んだとき、この離型剤４４を定着ローラ３１の広い範囲に確実に拡散することができる。
【００２５】
この親油性のカーボン粉体５０を分散した定着ローラ３１の表面離型層３６を作製する方法としては、カーボンが分散されたフッ素樹脂粉を静電塗装して、焼結後、研磨剤で切れ込みを入れて作製する方法や、液体分散された含カーボンフッ素樹脂用ディスパージョン液のカーボン濃度を減らしたもので多層塗りを行い、これに切れ込みを入れる方法、またはカーボンが分散されたフッ素樹脂のチューブをプライマー層用いて最上層を形成し、切れ込みを入れる方法などがある。
【００２６】
【実施例】
例えば定着ローラ３１の表面離型層３６として２種類の静電粉体をまぜてフッ素樹脂層を作り、固さが異なる部分を作製した。この硬さが異なる部分は、図６（ａ）の平面図と（ｂ）の断面図に示すように、ＰＦＴ（４フッ化エチレン−パークロロアルコキシエチレン共重合樹脂）＋ケッチェンブラック３ｗｔ％領域５１と、ＰＦＡ＋ケッチェンブラック５ｗｔ％領域５２及び純ＰＦＡ領域５３で形成した。これを粒径の異なるコランダム粒子で研磨を行い、表面粗さＲｚが２μｍと３μｍと５μｍ及び７μＭの４種類を作製した。また、比較例としてカーボン５％含有のもので２０μｍの膜を形成した。
【００２７】
この定着ローラ３１を使用し、ワックス含有トナーによる未定着ベタ画像を10000枚通し、定着ローラ３１の表面のトナー付着量と記録紙４２の巻き付きを確認した結果を下記表に示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
この結果、表面粗さＲｚで５μｍ以下であれば、定着ローラ３１の表面にトナー４３が付着せず、記録紙４２の巻き付きもないことが確認できた。
【００３０】
また、前記と同様にして表面粗さＲｚが２μｍの定着ローラ３１を作製し、加圧ローラ３２による加圧力を0.3kgf/cm^２と0.5kgf/cm^２と1.0kgf/cm^２と2.0kgf/cm^２及び4.0kgf/cm^２と可変して、トナー４３による未定着ベタ画像を10000枚通し、定着ローラ３１の表面のトナー付着量と記録紙４２の巻き付きを確認した結果を下記表に示す。
【００３１】
【表２】

【００３２】
上記表に示すように、加圧力が1.0kgf/cm^２以下では、定着ローラ３１の表面にトナー４３が付着せず、記録紙４２の巻き付きもないが、加圧力が0.5kgf/cm^２以下でトナー４３の定着性が悪く、また、加圧力が2.0kgf/cm^２以上では、定着ローラ３１に対するトナー４３の付着が見られた。したがって加圧力を1.0kgf/cm^２程度に設定することにより、安定したトナー像４５を記録紙４２に定着することができるとともに、定着ローラ３１の表面がトナー４３により汚れることを防ぐことができる。
【００３３】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、熱源を内蔵する定着ローラの現像剤と接触する表面離型層を、熱伝導性を有するフィラー含有量が異なる硬いフッ素樹脂層の領域と柔らかいフッ素樹脂層の領域とを混在させて構成し、表面離型層に圧接した現像剤により柔かいフッ素樹脂の部分が窪んで溝を形成し、この溝に現像剤の表面に軟化して現れた離型剤を入り込ませて広範囲に広げ、現像剤が定着ローラの表面に貼り付くことを防ぐことができ、安定した画像を記録媒体に定着することができるとともに、定着ローラの表面が現像剤により汚れることを防ぐことができる。
【００３４】
また、フィラーとして熱伝導性フィラーを使用し、表面離型層の熱分布を良くすることにより、現像剤の表面に現れた離型剤をより溶かし易くして離型性を向上させることができる。
【００３５】
また、表面離型層の表面全面に、記録媒体の移動方向に沿った平行な微細溝を設け、定着ローラに圧接した現像剤の表面に現れた離型剤を定着ローラの柔らかいフッ素樹脂の部分が窪んで形成された微細溝と記録媒体の移動方向に沿った平行な微細溝内に入り込ませて広範囲に広げることにより、離型性をより高めることができる。
【００３６】
さらに、微細溝表面の現像剤に含浸した離型剤に対するぬれ性の良い部分は、親油性粉体を含ませることにより、微細溝に入り込んだ離型剤をより広範囲に広げて、離型性を向上させることができる。
【００３７】
また、表面離型層表面の表面粗さＲｚを５μｍ以下することにより、ぬれ性をより高め、離型剤を安定して広げることができる。
【００３８】
また、この定着装置を画像形成装置に使用することにより、安定した画像を記録媒体に定着することができるとともに、定着ローラの表面が現像剤により汚れることを防ぐことができる。
【００３９】
さらに、この定着装置を使用して、離型剤としてワックス含有の現像剤を用いて画像を形成することにより、良質な画像を安定して形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のデジタル複写機の構成図である。
【図２】定着ユニットの構成を示す断面図である。
【図３】定着ローラの表面離型層にトナーが圧接した状態を示す部分拡大断面図である。
【図４】定着ローラの微細溝の構成を示す斜視図である。
【図５】定着ローラの表面離型層の微細溝部分を示す拡大断面図である。
【図６】定着ローラの表面離型層の構成図である。
【符号の説明】
１；デジタル複写機、２；複写機本体、３；ＡＤＦ、４；自動仕分け装置、
５；原稿読取ユニット、６；書込ユニット、７；エンジン部、
８；給紙ユニット、１４；画像形成ユニット、１５；１次転写ユニット、
１６；２次転写ユニット、１７；定着ユニット、３１；定着ローラ、
３２；加圧ローラ、３６；表面離型層、４６；硬いフッ素樹脂層、
４７；柔かいフッ素樹脂層、４８；溝、４９；微細溝、
５０；カーボン粉体。

Claims

熱源を内蔵する定着ローラと、定着ローラに圧接する加圧ローラとを有し、定着ローラと加圧ローラのニップ部に多色多層又は単色の未定着現像剤と固体の離型剤とを担持した記録媒体を搬送して未定着現像剤を記録媒体に定着する定着装置において、
前記定着ローラの未定着現像剤及び固体の離型剤と接触する表面に、熱伝導性を有するフィラー含有量が異なる硬いフッ素樹脂層の領域と柔らかいフッ素樹脂層の領域とを混在させた表面離型層を設け、該表面離型層に圧接した現像剤中のトナーにより前記柔らかいフッ素樹脂層の部分が窪んで微細溝を形成することを特徴とする定着装置。
前記表面離型層の表面全面に、記録媒体の移動方向に沿った平行な微細溝を設けた請求項１記載の定着装置。
前記微細溝表面には露出した親油性粉体を局部的に有する請求項２記載の定着装置。
前記表面離型層表面の表面粗さＲｚは５μｍ以下である請求項１乃至３のいずれかに記載の定着装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載の定着装置を有することを特徴とする画像形成装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載の定着装置を有し、離型剤としてワックス含有の現像剤を用いて画像を形成することを特徴とする画像形成装置。