JP4354345B2 - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置及びこれに採用される定着装置に関するものである。

従来、上記定着装置として、加熱ローラと加圧ローラとを備え、加圧ローラを加熱ローラに圧接させて、この圧接部の間にトナー像を担持した記録媒体を通過させて記録媒体上にトナー像を定着させるものが知られている。図６にその一例の概略構成図を示す。図６に示す定着装置は、内部に図示しない熱源を有する熱導体の中空円筒からなる加熱ローラ５と、芯金６ａ上に弾性体層６ｂを有した加圧ローラ６と、これらのローラを支持する筐体１０とを備えている。また、この筐体１０に一端が回動可能に支持され、中間部が加圧ローラ６の芯金６ｂに接触して加圧ローラ６を、その側方に位置する加熱ローラ５側に移動させるよう付勢するための突き当て部材７を備えている。また、筐体１０の上部１０ａとの突き当て部材７の上端部との間には弾性部材としてのばね８が設けられており、ばね８は突き当て部材７に付勢された加圧ローラ６の弾性層の弾性力（反発力）に釣り合う力を有する位置まで変形する。このばね８の変形に伴い、突き当て部材７は回動して、加圧ローラ６の芯金６ａを加熱ローラ５側に移動させるよう付勢して加圧ローラ６の弾性層６ｂを加熱ローラ５に圧接させる。この圧接部は、いわゆる定着ニップを形成しており、圧接された加熱ローラ５と加圧ローラ６とが連動して回転し、トナー像を担持した記録媒体を定着ニップで挟持して搬送すると、熱及び圧力の作用によりトナー像を記録媒体上へ加熱定着する。

ところが、上記定着装置を用いた場合、加圧ローラ６を付勢する突き当て部材７を回動させるばね８の力が一定であるため、記録媒体の種類によってはその記録媒体に適正な圧接力が得られず、定着シワが発生してしまうという問題があった。そこで、特許文献１、特許文献２では、上記ばねによる加圧力を可変とする機構を設け、圧接力を変更するものが開示されている。

特開平８−６４２５号公報 特開平２００２−１３９９４８号公報

上述の定着装置では、初期においては、加圧ローラ６の弾性層６ｂは所定の弾性力(反発力)を有している。しかし、経時においては、圧接によるストレスで弾性層６ｂは劣化して弾性力(反発力)が低下する。この低下した弾性力（反発力）に釣り合うようにばね８が変形すると、ばね８は突き当て部材７を大きく回動させ、これに伴い突き当て部材７は加圧ローラ６の芯金６ｂを加熱ローラ５側に大きく移動させるよう付勢する。このため、加圧ローラ６と加熱ローラ５との軸間が近づいた状態となる。軸間が近づくと、加圧ローラ６の弾性層６ｂの奥深くまで加熱ローラ５が食い込むようになり、圧接によるストレスが弾性層６ｂの奥深くまで加わり、さらに劣化が進行していく。このような劣化が著しく進行すると、定着ニップ幅内での圧力分布が不均一になる。特に弾性層として発泡性材料を用いた場合は、劣化により気泡が部分的に破泡してその部分の弾性力が低下するため、定着ニップ幅内での圧力分布が著しく不均一になる。このため、記録媒体に加わる圧力が場所により不均一になる。また、軸間が近づくと定着ニップ幅が増加するため、記録媒体に与える熱量が初期に較べて過多となる。このように、経時では、定着ニップで挟持して搬送される記録媒体に場所により不均一な圧力と過剰な熱とが加わり、定着シワを発生させてしまう。なお、上述の説明では、弾性層を有する加圧ローラを用いて説明したが、加熱ローラが内部に熱源を有する弾性体であり、加熱ローラを剛体からなる加圧ローラを用いた定着装置においても同様の課題が発生する。

本発明は以上の背景に鑑みなされたものである。その目的とするところは、少なくとも一方が弾性層を有する一対の回転体のうち、一方の回転体を付勢して他方の回転体に圧接させ、この圧接部に記録媒体を通過させてトナー像の定着を行う定着装置及びこれを採用する画像形成装置において、経時の弾性層の劣化により発生する問題を低減できる定着装置および画像形成装置を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、少なくとも一方が弾性層を有する一対の回転体と、該一対の回転体の少なくとも一方に内包される熱源と、該一対の回転体の一方を他方側に移動させるよう付勢して一方を他方に圧接させる付勢部材とを備え、該圧接する一対の回転体間に記録媒体を通過させてトナー像を該記録媒体上に定着させる定着装置において、上記付勢部材により付勢される回転体が弾性層を有し、上記一対の回転体が該付勢部材により圧接された状態で該弾性層の弾性力が所定値まで低下した場合にのみ、該付勢部材により付勢される一方の回転体が他方の回転体側へ移動する距離を規制するための規制部材を設けたことを特徴とするものである。
また、請求項２の発明は、請求項１の定着装置において、前記弾性層の弾性力が前記所定値まで低下していない場合には、前記規制部材は、前記付勢部材により付勢される一方の回転体が他方の回転体側へ移動する距離を規制しないことを特徴とするものである。
また、請求項３の発明は、請求項１または２の定着装置において、上記弾性層の弾性力が所定値以上のとき、前記付勢部材が上記規制部材から離間しており、上記一対の回転体が該付勢部材により圧接された状態で上記弾性層の弾性力が所定値まで低下したときに、前記付勢部材が上記規制部材と突き当ることを特徴とするものである。
また、請求項４の発明は、請求項１、２または３の定着装置において、上記付勢される一方の回転体が他方の回転体に圧接することにより上記弾性層が圧縮される圧縮率が１４％以下に収まるように、該付勢される一方の回転体が他方の回転体側へ移動する距離を規制することを特徴とするものである。
また、請求項５の発明は、請求項１、２、３または４の定着装置において、上記弾性層の厚みが３mm〜９mmであることを特徴とするものである。
また、請求項６の発明は、請求項１、２、３、４または５の定着装置において、上記弾性層は発泡シリコンよりなることを特徴とするものである。
また、請求項７の発明は、請求項１、２、３、４、５または６の定着装置において、上記一対の回転体が圧接する圧接部の面圧が０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上であることを特徴とするものである。
また、請求項８の発明は、請求項１、２、３、４、５、６または７の定着装置において、一対の回転体は共にローラ形状であることを特徴とするものである。
また、請求項９の発明は、トナー像を形成する像形成手段と、記録媒体上に該トナー像を定着させる定着装置とを備えた画像形成装置において、上記定着装置として請求項１、２、３、４、５、６、７または８の定着装置を採用することを特徴とするものである。

これらの定着装置および画像形成装置においては、規制部材により一方の回転体が他方の回転体側へ移動する距離が規制されるので、経時で弾性層が劣化して弾性力が低下しても両回転体の軸間が近づき過ぎることがない。このため、両回転体の軸間が近づき過ぎて弾性層を有する回転体の奥深くまで他方の回転体が食い込むことで、劣化が進行して、定着ニップ内での圧力分布が不均一になることを防止できる。また、両回転体の軸間が近づき過ぎて、定着ニップが増加し過ぎて記録媒体に与える熱量が過多となることを防止できる。このようにして、弾性層の劣化の進行は抑制されると共に、定着ニップ内での圧力分布の変化や定着ニップ幅の変化は抑えられる。よって、経時での弾性層の劣化に起因する問題の発生を低減することができる。

請求項１乃至９の発明によれば、少なくとも一方が弾性層を有する一対の回転体のうち、一方の回転体を付勢して他方の回転体に圧接させ、この圧接部に記録媒体を通過させてトナー像の定着を行う定着装置及びこれを採用する画像形成装置において、経時の弾性層の劣化により発生する問題を低減できるという優れた効果がある。

以下、本発明を、画像形成装置であるレーザプリンタ（以下、単に「プリンタ」という）に適用した実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係るプリンタの概略構成図である。このプリンタは、潜像担持体としての感光体ドラム１を有している。感光体ドラム１は、図中矢印Ａ方向に回転駆動されながら、感光体ドラム１に接触する一様帯電手段としての帯電ローラ５０により、その表面を一様に帯電される。その後、潜像形成手段としての光書込ユニット５１により画像情報に基づき走査露光されて、感光体ドラム１の表面に静電潜像が形成される。なお、一様帯電手段及び潜像形成手段としては、帯電ローラ５０及び光書込ユニット５１とは異なるものを用いることもできる。感光体ドラム１上に形成された静電潜像は、現像装置２により現像され、感光体ドラム１上にトナー像が形成される。感光体ドラム１上に形成されたトナー像は、転写ローラ５３を備えた転写手段としての転写ユニットにより、給紙カセット５４から給紙ローラ５５及びレジストローラ対５６を経て搬送される記録媒体５２上に転写される。転写終了後の記録媒体５２は、定着手段としての定着装置５７によりトナー像が定着され、機外に排出される。なお、転写されずに感光体ドラム１上に残留した転写残トナーは、クリーニング手段としてのクリーニングユニット５８により感光体ドラム１の表面から除去される。また、感光体ドラム１上の残留電荷は、除電手段としての除電ランプ５９で除去される。

また、空間部Ｓには、定着後に定着装置５７から排出される記録媒体５２を収容する排紙トレイ６１が配置されている。プリントを終えた記録媒体５２は定着装置５７を通過する間にトナー像が定着され、排紙ローラ対６０によって排紙トレイ６１上に排出積載される。

次に、本実施形態のプリンタの特徴部である定着装置５７について詳しく説明する。図２は、本実施形態のプリンタに採用される定着装置５７の概略構成図である。この定着装置５７は、筐体１０内に一対の回転体としての加熱ローラ５と加圧ローラ６とを備えている。加熱ローラ５は、記録媒体に担持されているトナー像に接触する側に配置された熱良導体の材質からなる中空円筒５ａとこの中空円筒表面に離型層５ｂを有したローラであり、内部に熱源（図示せず）を有している。加圧ローラ６は、芯金６ａの表面に弾性体層６ｂを有したローラである。弾性層の表面に離型層６ｃを設けても良い。弾性層６ｂは、発泡シリコンを用い、その厚みを３mm〜９mmとした。弾性層６ｂの材料としては、このほかに、フッ素ゴム、ソリッドシリコン等の材質を用いることもできる。また、この筐体１０に一端が回動可能に支持され、中間部が加圧ローラ６の芯金６ｂに接触して加圧ローラ６を、その側方に位置する加熱ローラ７側に移動させるよう付勢するための突き当て部材７を備えている。また、筐体１０の上部１０ａとの突き当て部材７の上端部との間には弾性部材としてのばね８が設けられており、ばね８は突き当て部材７に付勢された加圧ローラ６の弾性層の弾性力（反発力）に釣り合う力を有する位置まで変形する。このばね８の変形に伴い、突き当て部材７は回動して、弾性層６ｂが加熱ローラ５表面に圧接するように、芯金６ａを加熱ローラ５側に移動させて付勢する。この圧接部は、いわゆる定着ニップを形成している。このように圧接された加熱ローラ５と加圧ローラ６とが連動して回転して、トナー像を担持した記録媒体５２を定着ニップで挟持して搬送すると、熱及び圧力の作用により、トナー像が記録媒体５２上へ加熱定着される。

さらに、本実施形態の定着装置５７では、突き当て部材７が、加圧ローラ６を加熱ローラ５側に移動するよう付勢するために回動することを規制するための規制部材９を設けている。初期的には、加圧ローラ６の弾性層６ｂは所定の弾性力を有しており、図３にしめすように、ばね８はその反発力に釣り合う力を有する位置まで変形しても、突き当て部材７は規制部材９に突き当たらずに加圧ローラ６を加熱ローラ５側に付勢する。経時で、加圧ローラ６の弾性層６ｂが劣化して弾性力が低下した時には、図４に示すように、突き当て部材７は規制部材９に当たり、これ以上加圧ローラ６が加熱ローラ５側に移動するよう付勢することを妨げられる。これに伴い、ばね８の変形もこの位置までと規制されてそれ以上は変形しないよう固定される。これにより、突き当て部材７に付勢される加圧ローラ６と加熱ローラ５との軸間が近づき過ぎることを防止できる。

図５は、経時における弾性層の弾性力の変化とバネ長、加熱ローラ５と加圧ローラ６の軸間距離および定着ニップ幅との関係を示したものである。時間が経つにつれ、加圧ローラ６の弾性層６ｂの弾性力は低下していく。これに伴い、ばね８が釣り合う位置が短くなり、ばね８に連結された突き当て部材７は加熱ローラ５側に移動して、加熱ローラ５と加圧ローラ６の軸間距離は短くなる。この結果、加熱ローラ５と加圧ローラ６との圧接部である定着ニップは大きくなっていく。さらに時間が経ち、加圧ローラ６の弾性層６ｂの弾性力は低下すると、突き当て部材７は加熱ローラ５側に移動して規制部材９に突き当たる。すると、突き当て部材７はこれ以上加熱ローラ５側に移動することができなくなり、加熱ローラ５と加圧ローラ６との軸間距離は固定される。この結果、加熱ローラ５と加圧ローラ６との圧接部である定着ニップも固定される。加圧ローラ６の弾性層６ｂ、与える熱量等の特性に合わせて、軸間距離、および、定着ニップが、図５に示すような設計目標値内に収まるよう規制部材を９配置することで、経時の定着シワの発生等を防止できる。

また、本実施形態のプリンタでは、加圧ローラ６の弾性層６ｂは、発泡シリコンを用い、その厚みを３mm〜９mmとした。（表１）に示すように、弾性層６ｂの厚みが３ｍｍ未満では、充分な定着ニップ幅が得られない。また、９ｍｍより大きいと、立ち上がり性が劣る。そこで、充分な定着ニップ幅が得られ、立ち上がり性も良好になるよう、弾性層６ｂの厚みは３mm〜９mmの範囲とした。

また、加圧ローラ６の加熱ローラ５側への移動は、この移動により弾性層６ｂが圧縮される圧縮率が１４％以下に収まるように規制部材９で規制する。ここで、圧縮率とは、弾性層６ｂの厚みに対する、圧縮されて減少した厚みの割合である。（表２）に示すように、規制部材９により圧縮率が１０％より小さくなるように規制すると、定着シワ、回転ムラの発生とも見られず、良好な性能が得られた。また、圧縮率が１０〜１４％の範囲になるよう規制すると、定着シワ、回転ムラが稀に発生した。しかし、圧縮率が１４％より大きいと、定着シワ、回転ムラが発生し易くなった。

また、加圧ローラ６と加熱ローラ５との圧接部に面圧を０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上とする。これは、（表３）に示すように、面圧が０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２より小さいと、定着性が劣るためである。

比較例として、従来の規制部材を設けない定着装置について説明する。規制部材を設けない場合は、初期的には、加圧ローラ６の弾性層５ｂは充分な弾性力を有しており、ばねがその反発力に釣り合う力を有する位置まで変形して、突き当て部材７は加圧ローラ６を加熱ローラ５側に付勢する。経時で、弾性層の反発力が低下した時には、図６に示すように、ばねがその反発力に釣り合う力を有する位置まで変形すると、これに伴い突き当て部材７は図中右方向に大きく移動して加圧ローラ６を付勢する。このため、突き当て部材７に付勢される加圧ローラ６と加熱ローラ５軸間が短くなり過ぎる。また、加熱ローラ５と加圧ローラ６との圧接部である定着ニップは大きくなっていく。図７に、従来の装置の、経時の弾性力の変化とバネ長、加熱ローラ５と加圧ローラ６の軸間距離および定着ニップ幅との関係を示す。この結果、軸間距離が短くなり、定着ニップが設計目標域を超えたところで定着シワ発生という不具合が生じた。

なお、上記実施形態では、加圧ローラ６が弾性層６ｂを有し、剛体からなる加熱ローラ５に圧接するよう加圧ローラ６の軸を付勢する定着装置の例で本発明を説明した。これ以外にも、加熱ローラが弾性層を有し、剛体からなる加圧ローラに圧接するように付勢するものにおいても本発明を適用することができ、同様の効果がえられる。また、剛体からなるローラを、弾性体を有するローラに付勢する場合においても、本発明を適用することができ、同様の効果がえられる。また、両方が弾性層を有する回転体の場合においても、本発明を適用することができ、同様の効果がえられる。また、少なくとも一方が弾性層を有する一対の回転体であればよく、ローラ形状に限るものではない。

以上、本実施形態で述べたように、突き当て部材７が加圧ローラ６を加熱ローラ５側に付勢するよう移動することを規制するための規制部材９を設ける。これにより、経時で、弾性層６ｂが劣化して弾性力が低下しても、突き当て部材７が規制部材９に当たり、ばね８がそれ以上は変形しないよう固定される。これにより、突き当て部材７に付勢される加圧ローラ６と加熱ローラ５軸間が短くなり過ぎることを防止でき、定着シワの発生等が防止できる。
また、加圧ローラ６が加熱ローラ５に圧接することにより圧縮される弾性層６ｂの圧縮率が１４％以下に収まるように、加圧ローラ６が加熱ローラ５側へ移動する距離を規制する。圧縮率が１４％より大きい場合、定着シワ発生、回転ムラの発生し易くなる。そこで、圧縮率を１４％以下となるよう規制することで、、定着シワ発生、回転ムラの発生を防止する。
また、加圧ローラ６の弾性層６ｂの厚みを３mm〜９mmとする。弾性層６ｂの厚みを３ｍｍ以上とすることで、充分な定着ニップ幅が得られる。また、弾性層６ｂの厚みを９ｍｍ以下とすることで、立ち上がり性を良好とすることができる。そこで、充分な定着ニップ幅が得られ、かつ、立ち上がり性も良好な範囲の厚みとする。
また、弾性層６ｂは発泡シリコンよりなるものとする。発泡シリコンは定着装置の弾性層として良好な特性を有しているが、発泡性材料であるため、劣化により定着ニップ幅内での圧力分布が著しく不均一になる。そこで、本発明を弾性層として発泡シリコンを用いた装置に適用することで、大きな効果が得られる。
また、加圧ローラと加熱ローラとが圧接する圧接部の面圧を０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上とする。面圧が０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２より小さいと、定着性が劣るためである。
また、一対の回転体は共にローラ形状とする。

本発明の実施形態に係るプリンタの概略構成図。 上記プリンタの定着装置の概略構成図。 上記プリンタの定着装置の初期における突き当て部材が加圧ローラを付勢するときの説明図。 上記プリンタの定着装置の経時における突き当て部材が加圧ローラを付勢するときの説明図。 上記プリンタの定着装置の弾性層の弾性力の変化とバネ長、軸間距離および定着ニップ幅との関係を示した図。 従来の定着装置の経時における突き当て部材が加圧ローラを付勢するときの説明図。 従来の定着装置における弾性層の弾性力の変化とバネ長、軸間距離および定着ニップ幅との関係を示した図。

符号の説明

１ 感光体ドラム
２ 現像装置
５ 加熱ローラ
５ａ 中空円筒
５ｂ 離型層
６ 加圧ローラ
６ａ 芯金
６ｂ 弾性体層
６ｃ 離型層
７ 突き当て部材
８ ばね
９ 規制部材
１０ 筐体
５０ 帯電装置
５１ 光書き込みユニット
５２ 記録媒体
５３ 転写ローラ
５４ 給紙カセット
５５ 給紙ローラ
５６ レジストローラ
５７ 定着装置
５８ クリーニングユニット
５９ 除電装置

Claims (9)

1. 少なくとも一方が弾性層を有する一対の回転体と、該一対の回転体の少なくとも一方に内包される熱源と、該一対の回転体の一方を他方側に移動させるよう付勢して一方を他方に圧接させる付勢部材とを備え、該圧接する一対の回転体間に記録媒体を通過させてトナー像を該記録媒体上に定着させる定着装置において、
   上記付勢部材により付勢される回転体が弾性層を有し、
   上記一対の回転体が該付勢部材により圧接された状態で該弾性層の弾性力が所定値まで低下した場合にのみ、該付勢部材により付勢される一方の回転体が他方の回転体側へ移動する距離を規制するための規制部材を設けたことを特徴とする定着装置。
2. 請求項１の定着装置において、
   前記弾性層の弾性力が前記所定値まで低下していない場合には、前記規制部材は、前記付勢部材により付勢される一方の回転体が他方の回転体側へ移動する距離を規制しないことを特徴とする定着装置。
3. 請求項１または２の定着装置において、
   上記弾性層の弾性力が所定値以上のとき、前記付勢部材が上記規制部材から離間しており、上記一対の回転体が該付勢部材により圧接された状態で上記弾性層の弾性力が所定値まで低下したときに、前記付勢部材が上記規制部材と突き当ることを特徴とする定着装置。
4. 請求項１、２または３の定着装置において、上記付勢される一方の回転体が他方の回転体に圧接することにより上記弾性層が圧縮される圧縮率が１４％以下に収まるように、該付勢される一方の回転体が他方の回転体側へ移動する距離を規制することを特徴とする定着装置。
5. 請求項１、２、３または４の定着装置において、上記弾性層の厚みが３mm〜９mmであることを特徴とする定着装置。
6. 請求項１、２、３、４または５の定着装置において、上記弾性層は発泡シリコンよりなることを特徴とする定着装置。
7. 請求項１、２、３、４、５または６の定着装置において、上記一対の回転体が圧接する圧接部の面圧が０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上であることを特徴とする定着装置。
8. 請求項１、２、３、４、５、６または７の定着装置において、一対の回転体は共にローラ形状であることを特徴とする定着装置。
9. トナー像を形成する像形成手段と、
   記録媒体上に該トナー像を定着させる定着装置とを備えた画像形成装置において、
   上記定着装置として請求項１、２、３、４、５、６、７または８の定着装置を採用することを特徴とする画像形成装置。

Images