JP4152223B2

JP4152223B2 - 定着用回転体と定着装置及び画像形成装置

Info

Publication number: JP4152223B2
Application number: JP2003058246A
Authority: JP
Inventors: 秀則町田; 徳彦安瀬
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2023-03-05
Also published as: JP2004271572A

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用回転体と定着装置及び画像形成装置、特に離型性と耐久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
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。また、定着ローラの外表面にペルフルオロアルコキシふっ素樹脂ＰＦＡやポリ４ふっ化エチレンＰＴＦＥや４ふっ化エチレン６ふっ化プロピレン共重合体ＦＥＰといったふっ素樹脂等の高離型を有する材料を形成してオフセットを防止している。
【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を添加すると、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。
【０００７】
また、定着ローラの表面にふっ素樹脂等で離型層を形成すると、純粋なふっ素樹脂は耐摩耗性に関してそれ程強靭さを備えておらず、寿命が短いという不具合がある。この耐摩耗性は、窒化ケイ素や窒化アルミ，アルミナ，シリカ，カーボン，マイカ，２硫化モリブデン等の比較的高い硬度を持つ無機充填剤を混入することにより向上できるが、無機充填剤の混入量が少ないと耐摩耗性向上の効果が充分でなく、無機充填剤の混入量を増加させると離型性や表面の平滑性が悪くなり、オフセット防止効果が低下してしまうという短所がある。
【０００８】
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してオフセットが生じることを防ぐとともに耐磨耗性を向上して、良質な画像を安定して定着することができる定着用回転体と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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明の定着用回転体は、基体表面に弾性層を被覆し、弾性層の表面に離型層を有し、内部に設けられた熱源により加熱して記録媒体に転写された現像剤を記録媒体に定着する定着用回転体において、離型層を、基体側離型層と表面離型層の２層で形成し、基体側離型層を耐磨耗性が高いＰＦＡで形成し、前記表面離型層を溶融流動性が高いＦＥＰで形成し、基体側離型層と表面離型層の界面を微細な山谷構造にし、記録媒体に転写された現像剤像を定着したとき、表面離型層のＦＥＰで現像剤に対する離型性を高めてオフセットが生じることを防ぐ。また、大量の記録媒体を通紙して、表面離型層のＦＥＰが磨耗しても、微細な山谷構造をした基体側離型層のＰＦＡの一部が表面に現れて耐磨耗性を高める。さらに、基体側離型層のＰＦＡの一部が表面に現れても、表面離型層のＦＥＰの大部分が残っているから離型性を保つ。
【００１０】
また、基体側離型層を形成するＰＦＡに無機充填剤を充填して、溶融流動性をより低くして基体側離型層と表面離型層の界面の微細な山谷構造を深くする。
【００１１】
さらに、基体側離型層を形成するＰＦＡの平均粒径を10〜30μｍとし、表面離型層を形成するＦＥＰの平均粒径をＰＦＡの平均粒径より小さくして、基体側離型層と表面離型層の界面の微細な山谷構造を安定して形成する。
【００１２】
また、基体を金属からなるローラで形成し、前記２層構造の離型層を、ローラを保持する軸受部まで形成し、ローラの回転に対する負荷を低減する。
【００１３】
この発明の定着装置は、前記定着用回転体を有し、良質な画像を長期間定着するすることを特徴とする。
【００１４】
この発明の画像形成装置は、前記定着装置を有し、良質な画像を長期間形成することを特徴とする。
【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。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ローラ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、感光体１８に微小間隙をおいて配置された帯電ローラ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制御部１００の中央制御部１０１に送るとともに画像メモリ１０２に格納する。中央制御部１０１は送られた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。引き続いて中央制御部１０１は画像メモリ１０２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】
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３４に転写されたトナー像３５を加熱加圧して記録紙３４に定着する。トナー像３５を定着後の記録紙３４は分離爪３６によって定着ローラ３１の表面から剥離されて所定の方向に取り出される。この定着ローラ３１を加熱するとき例えばサーミスタ等の温度センサ３７で定着ローラ３１の表面温度を検出してヒータ３３に対する通電を制御する。定着ローラ３１の表面に付着したトナーはクリーニング手段３８で除去される。
【００２０】
定着ローラ３１は、アルミニウム等の金属ローラの基体３９の表面に例えばシリコーンゴムからなる弾性層４０が被覆され、弾性層４０の表面にふっ素樹脂からなる離型層４１が被覆されている。基体３９の内面はヒータ３３の熱を吸収しやすくするために黒体塗装しても良い。また、弾性層４０はフルカラー用の定着ローラ３１に使われているが、モノクロ用の場合使用しない場合がある。また、基体３９と弾性層４０の間と、弾性層４０と離型層４１の間には必要に応じて接着層を設けても良い。
【００２１】
離型層４１は、図３の部分拡大断面図の（ａ）に示すように、基体側離型層４１ａと表面離型層４１ｂの２層から形成されている。基体側離型層４１ａはペルフルオロアルコキシふっ素樹脂ＰＦＡで形成され、表面離型層４１ｂは例えば４ふっ化エチレン６ふっ化プロピレン共重合体ＦＥＰで形成されている。この基体側離型層４１ａと表面離型層４１ｂの界面は微細な山谷構造をしており、表面離型層４１ｂの表面は平滑面となっている。基体側離型層４１ａを形成するＰＦＡは表面離型層４１ｂを形成するＦＥＰより離型性と溶融時の流動性はより低いが、耐摩耗性はＦＥＰより高い。また、表面離型層４１ｂを形成するＦＥＰは溶融流動性が高いため、ＦＥＰを塗装した後に焼成しただけで平滑面が得られ、ＰＦＡのように研磨等の平滑化加工を必要としないという利点を有する。
【００２２】
このように定着ローラ３１の離型層４１を基体側離型層４１ａと表面離型層４１ｂの２層で形成し、基体側離型層４１ａを耐磨耗性を有するＰＦＡで形成し、表面離型層４１ｂを離型性が良いＦＥＰで形成し、かつ基体側離型層４１ａと表面離型層４１ｂの界面は微細な山谷構造にすることにより、記録紙３４に転写されたトナー像３５を加熱加圧して定着したときに、定着ローラ３１のトナーに対する離型性を高めてオフセットが生じることを防ぐことができる。また大量の記録紙３４を通紙して、表面離型層４１ｂのＦＥＰが磨耗しても、微細な山谷構造をした基体側離型層４１ａのＰＦＡの一部が表面に現れて耐磨耗性を高めることができる。また、基体側離型層４１ａのＰＦＡの一部が表面に現れても、表面離型層４１ｂのＦＥＰの大部分が残っているから離型性を保つことができる。
【００２３】
また、基体側離型層４１ａと表面離型層４１ｂの２層で形成した離型層４１を、図４の側面図の（ｂ）に示すように、通紙幅Ｗの範囲でなく、（ａ）に示すように定着ローラ３１を保持する滑り軸受４２の範囲Ｗ１まで設けることにより、定着ローラ３１と滑る軸受４２との間の摩擦を小さくすることができ、定着ローラ３１を回転するモータの負荷を小さくすることができる。また、定着ローラ３１の滑る軸受４２との接触面の磨耗を小さくして、長時間安定して使用することができる。
【００２４】
次に、定着ローラ３１の製造方法について図５の断面図を参照して説明する。基体３９の表面にプライマーを塗布した後、シリコーンゴムを被覆して弾性層４０を形成する。この弾性層４０の表面にプライマーを塗布し、その上に基体側離型層４１ａを形成する平均粒径が10〜30μｍのＰＦＡを塗装し、その後、表面離型層４１ｂを、ＰＦＡの平均粒径より小さく、例えば10μｍ以下の平均粒径のＦＥＰを塗装して焼成して離型層４１を形成する。このＰＦＡとＦＥＰの塗装はスプレー塗装や静電粉体塗装で行えば良い。この離型層４１を形成するとき、ＰＦＡはＦＥＰよりも溶融流動性が低いため、焼成後、ＰＦＡは粒状を保ち、このＰＦＡの隙間をＦＥＰが埋めて、図３に示すように、基体側離型層４１ａと表面離型層４１ｂの界面を山谷構造にすることができる。この界面の山谷構造を形成するために、ＰＦＡの平均粒径を10〜30μｍにすることが望ましく、また、焼成後に平滑加工を行わず平滑な表面を得るためにはＦＥＰの平均粒径を10μｍ以下にすることが望ましい。
【００２５】
また、定着ローラ３１の離型層４１を形成するとき、ＰＦＡに無機充填剤、例えば窒化ケイ素や窒化アルミ，アルミナ，シリカ，カーボン，マイカ又は２硫化モリブデンのいずれかを充填することにより、溶融流動性をＰＦＡ単体より低くすることができ、基体側離型層４１ａと表面離型層４１ｂの界面を山谷構造をより深くすることができる。
【００２６】
この定着ローラ３１をデジタル複写機１に使用してオフセットと耐磨耗性を評価した結果と、比較例として離型層４１にＦＥＰの１層を設けた場合と、離型層４１にＰＦＡの１層を設けた場合及びＰＦＡにシリカを充填したＰＦＡを１層設けた場合のオフセットと耐磨耗性を評価した結果を下記表に示す。下記表において、本発明１は離型層４１をＰＦＡの基体側離型層４１ａとＦＥＰの表面離型層４１ｂで形成した場合、本発明２〜本発明８はＰＦＡにカーボン，マイカ，２硫化モリブデン，窒化アルミ，窒化ケイ素，アルミナ，シリカをそれぞれ充填して基体側離型層４１ａを形成した場合を示す。離型性は罫線状オフセットチャートを連続100枚通紙して評価し耐摩耗性は20000枚通紙を行ない、表面の削れ量により評価した。
【００２７】
【表１】

【００２８】
前記表に示す離型性の評価結果の２重丸印はオフセットなしで、定着ローラ３１の汚れなしの場合、丸印は実用上問題となるオフセットなして、定着ローラ３１の汚れなしの場合、三角印は実用上問題となるオフセットはないが定着ローラ３１に汚れがある場合、ばつ印は実用上問題となるオフセットがある場合を示す。また、耐摩耗性の評価結果は、丸印は定着ローラ３１に疵がないか、摩耗と疵はめられるが、画像上問題ない場合、三角印はハーフトーン画像で軽微な疵が発生した場合、ばつ印は定着ローラ３１に疵等が発生して画像スジ等の欠陥が認められた場合を示す。前記表に示すように、本発明の場合はいずれも比較例と比べて定着ローラ３１の寿命を長くすることができるとともに良質な画像を安定して形成することができた。
【００２９】
前記説明では定着ユニット１７に定着ローラ３１を使用した場合について示したが、図６の構成図に示すように、加熱ローラ４３と駆動ローラ４４に巻き回された定着ベルト４５を、図３（ｂ）の部分断面図に示すように、ポリイミドや金属箔のエンドレスベルト基体４６の表面に弾性層４０と離型層４１を形成し、離型層４１を、ＰＦＡ又は無機充填剤を充填したＰＦＡの基体側離型層４１ａとＦＥＰの表面離型層４１ｂの２層で形成し、基体側離型層４１ａと表面離型層４１ｂの界面を微細な山谷構造にすることにより、定着ベルト４５のオフセットを防止して寿命を長くすることができる。
【００３０】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、定着用回転体の離型層を、基体側離型層と表面離型層の２層で形成し、基体側離型層を耐磨耗性が高いＰＦＡで形成し、前記表面離型層を溶融流動性が高いＦＥＰで形成し、基体側離型層と表面離型層の界面を微細な山谷構造にすることにより、記録媒体に転写された現像剤像を定着したとき、表面離型層のＦＥＰで現像剤に対する離型性を高めてオフセットが生じることを防ぐことができる。また、大量の記録媒体を通紙して、表面離型層のＦＥＰが磨耗しても、微細な山谷構造をした基体側離型層のＰＦＡの一部が表面に現れて耐磨耗性を高めることができる。さらに、基体側離型層のＰＦＡの一部が表面に現れても、表面離型層のＦＥＰの大部分が残っているから離型性を保つことができる。
【００３１】
また、基体側離型層を形成するＰＦＡに無機充填剤を充填することにより、基体側離型層の溶融流動性をより低くして基体側離型層と表面離型層の界面の微細な山谷構造を深くすることができ、長期間安定して離型性を保つことができる。
【００３２】
さらに、基体側離型層を形成するＰＦＡの平均粒径を10〜30μｍとし、表面離型層を形成するＦＥＰの平均粒径をＰＦＡの平均粒径より小さくすることにより、基体側離型層と表面離型層の界面の微細な山谷構造を安定して形成し、離型性と体磨耗性を高めることができる。
【００３３】
また、基体を金属からなるローラで形成し、２層構造の離型層を、ローラを保持する軸受部まで形成し、ローラの回転に対する負荷を低減するとともに、ローラの軸受部における磨耗を低減することができる。
【００３４】
この定着用回転体を定着装置に使用することにより、良質な画像を長期間定着するすることができる。
【００３５】
また、この定着装置を電子写真方式の画像形成装置に使用することにより、良質な画像を長期間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】離型層の構成を示す部分断面図である。
【図４】離型層の範囲を示す側面図である。
【図５】離型層の製造方法を示す部分断面図である。
【図６】他の定着ユニットの構成図である。
【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、１８；感光体、
３１；定着ローラ、３９；基体、４０；弾性層、４１；離型層、
４１ａ；基体側離型層、４１ｂ；表面離型層。

Claims

基体表面に弾性層を被覆し、弾性層の表面に離型層を有し、内部に設けられた熱源により加熱して記録媒体に転写された現像剤を記録媒体に定着する定着用回転体において、
前記離型層を、基体側離型層と表面離型層の２層で形成し、前記基体側離型層を耐磨耗性が高いＰＦＡで形成し、前記表面離型層を溶融流動性が高いＦＥＰで形成し、基体側離型層と表面離型層の界面を微細な山谷構造にしたことを特徴とする定着用回転体。
前記基体側離型層を形成するＰＦＡに無機充填剤を充填した請求項１記載の定着用回転体。
前記基体側離型層を形成するＰＦＡの平均粒径を10〜30μｍとし、前記表面離型層を形成するＦＥＰの平均粒径をＰＦＡの平均粒径より小さくした請求項１又は２に記載の定着用回転体。
前記基体を金属からなるローラで形成し、前記２層構造の離型層を、ローラを保持する軸受部まで形成した請求項１乃至３のいずれかに記載の定着用回転体。
請求項１乃至４のいずれかに記載の定着用回転体を有することを特徴とする定着装置。
請求項５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。