JP4721694B2 - 強化されたキー溝を備える薄肉定着ロールアセンブリ、それを備える画像形成システムとトナー定着プロセス - Google Patents

Description

本発明は迅速なウォームアップ時間および向上したエネルギ効率を可能にする薄肉定着ロールコアシリンダアセンブリに関する。

静電複写方式による画像形成システムに用いられる定着ロール（fuser rolls）は、一般に、単層または多層のエラストマ層で被覆された金属コアシリンダで構成される。従来の定着ロールコアシリンダは、壁部の肉厚が比較的厚いアルミニウム合金シリンダである。そのような肉厚が、望ましいとされていたのは、定着ロールが、隣接する圧縮ロールのニップに加圧するのに際して、強度および耐久性を提供するためである。外径が、３５．００ｍｍの定着ロールコアの場合、５．５ｍｍの肉厚が、ごく標準的である。同様の寸法が、毎分５０ページよりも多く画像形成することが可能な、事務用および量産用の印刷システムにおいて一般的である。そのような相対的な肉厚の１つの欠点としては、壁部の厚みが、厚ければ厚いほど、シリンダが、より大型になるということがある。一般的な定着器では、略１５０℃の定着温度を達成する必要があるということから、定着器を定着温度に加熱して維持するためには、かなりの電力および時間が必要とされる。略５．５ｍｍ厚の従来の定着コアの場合に、ウォームアップ時間は、略７分〜略３０分間継続する。

エネルギを節約するとともに、ウォームアップ時間を短縮するために、定着シリンダコアの肉厚を、できるだけ薄くすることが望ましいであろう。しかしながら、ただ単に、シリンダ壁部を薄肉化すると、そのシリンダの端部領域において問題が生じるということが経験的に分かっている。特に、従来の駆動スロットが、定着コアシリンダに機械加工された場合に、結果として、その端部において、脆弱性および亀裂が生じる。駆動スロットは、定着シリンダコアを回転させるために、そのシステムの一部として用いられる。図１に示すように、回転は、一般に、コアシリンダ１０を駆動歯車１１にぴったりと嵌合させることによって生じる。嵌合は、キー１５をスロット１４に入れ込むことによって生じる。駆動歯車１１をシリンダ１０に嵌合させることに続いて、加熱ランプを定着ロールコアに挿入する必要があるので、駆動歯車１１の内径が、図示のように、コアシリンダ１０を覆うようにはまるスリーブ１２を形成する。キーピン１５は、スリーブ１２から内側に向かって突き出ており、スロット１４に係合する。スリーブ１２が、シリンダ１０の中にではなく、シリンダ１０を覆うようにはまるもう１つの理由は、駆動歯車１１が、スリーブ１２とともに、一般に、硬質プラスチックで作られているからである。そのようなプラスチックは、膨張係数が、シリンダ１０の金属とは異なる。従って、スリーブ１２が、シリンダ１０の内側に突き出された場合には、定着処理の間において、シリンダ１０の金属が、膨張するであろう膨張率は、駆動歯車１１のプラスチックよりも大きくて、これによって、駆動歯車１１とシリンダ１０との間に望ましくないゆるみが生じる。

米国特許第６，０６９，６２４号明細書 米国特許第５，６８７，２９７号明細書

耐久性および画像形成性能についての基準に合致しつつ、あるいはこれを上回りつつ、エネルギの効率化およびウォームアップ時間の迅速化を可能にする、耐久性のある薄肉コア定着シリンダを作製することが望ましい。

本発明による薄肉定着ロールアセンブリの１つの実施の形態は、略０．５ミリメートル〜略２．０ミリメートルの壁部の肉厚と、端部領域と、軸方向および半径方向と、を有する金属製のコアシリンダと、前記コアシリンダの端部をぴったりと覆う内径スリーブと、前記コアシリンダを回転させるキーと、を有する駆動歯車と、前記駆動歯車キーを受け入れる、前記コアシリンダの前記端部領域におけるキー溝と、前記キー溝付近における前記コアシリンダ壁部に、繰り返される周期的な圧縮による亀裂を防ぐのに十分な強度を与える強化手段と、を備え、前記強化手段は、前記キー溝の終端部付近で前記コアシリンダの内側または外側に取り付けられたリング状の補強部材であり、前記キー溝は前記シリンダに前記補強部材が固定された後に前記補強部材の一部に入り込むように機械加工されていることを特徴とする薄肉定着ロールアセンブリである。前記補強部材は前記コアシリンダを圧縮した状態に維持して固定されてもよい。また、前記コアシリンダが平らなシートを曲げてシート縁端部を接合することにより形成される場合、前記補強部材は前記シートが平らな状態にあるときに固定されてもよい。

本発明のもう１つの実施の形態は、静電複写方式による画像形成システムであって、略０．５ミリメートル〜略２．０ミリメートルの壁部の肉厚と、端部領域と、軸方向および半径方向と、を有する金属製のコアシリンダと、前記コアシリンダの端部をぴったりと覆う内径スリーブと、前記コアシリンダを回転させるキーと、を有する駆動歯車と、前記駆動歯車キーを受け入れる、前記コアシリンダの前記端部領域におけるキー溝と、前記キー溝付近における前記コアシリンダ壁部に、繰り返される周期的な圧縮による亀裂を防ぐのに十分な強度を与える強化手段であって、前記強化手段は前記キー溝の終端部付近で前記コアシリンダの内側または外側に取り付けられたリング状の補強部材であり、前記キー溝は前記シリンダに前記補強部材が固定された後に前記補強部材の一部に入り込むように機械加工されている強化手段と、を備える薄肉定着ロールアセンブリを備えることを特徴とする画像形成システムである。また、前記画像形成システムは、毎分略５０ページよりも多く印刷することが可能であることが好ましい。

本発明のさらにもう１つの実施の形態は、複写シートにトナーを定着させるプロセスであって、略０．５ミリメートル厚〜略２．０ミリメートル厚のコアシリンダ壁部を備える薄肉定着ロールであって、前記コアシリンダに形成されたキー溝付近において肉厚の薄い前記壁部の強度が、前記コアシリンダにキー溝形成前に取り付けられたリングに前記キー溝の終端部が入り込むように機械加工されている前記リングで構成される強化手段によって補強されている薄肉定着ロールを、略１分未満の間にわたって予加熱して、前記定着ロールおよび圧力ロールによって形成されたニップと係合するように複写シートを動かして、前記コアシリンダの端部をぴったりと覆う内径スリーブと、前記コアシリンダの前記キー溝に係合するキーと、を有する駆動歯車を用いて、前記定着ロールの回転を駆動することによって、前記ニップを通過するように前記用紙を動かすことを含むことを特徴とするプロセスである。また、前記予加熱は、略３０秒未満であることが好ましい。

概説すると、本発明による薄肉コア定着シリンダアセンブリは、薄肉壁部と、駆動歯車およびそのスリーブに隣接する端部領域において、これらの薄肉壁部を強化する手段と、を含む。従来技術の定着コアシリンダと比較した場合に、本発明によれば、より迅速なウォームアップ時間および向上したエネルギ効率が可能となると同時に、端部領域に十分な強度を与えることで、周期的な応力によって生じる亀裂が防止される。

本発明の概括的な理解のために図面を参照する。図中、類似の符号を、各図において用いて、同様の構成要素を示すようにした。

本発明による１つの実施の形態で構成される具体例としての電子システムは、印刷機能、複写機能、走査機能、およびファックス機能を備えた複合プリンタである。そのような複合プリンタは、当該技術分野においてよく知られており、インクジェット方式、電子写真方式、およびその他の画像形成装置による印刷エンジンを備える場合がある。電子写真方式による画像形成の概略的な動作原理は、数多くの当業者によく知られている。一般に、電子写真方式による複写プロセスでは、最初に、おおむね均一に受光部材を帯電させて、続いて、その上に、元原稿の光画像を露光させる。帯電させられた受光部材を光画像に露光させることによって、受光部材上において、元原稿の静電潜像を形成するために、画像部上における帯電を維持しつつ、元原稿における非画像部に対応する領域の光導電性表面層を放電させる。続いて、帯電させられた現像材料を、光導電性表面層に付着させて、この現像材料が、受光部材上の帯電させられた画像部に引き寄せられるようにするプロセスによって、この潜像を、可視画像に現像する。その後、現像材料を、受光部材から複写シートまたはその他の何らかの画像支持体に転写させて、画像を、それに恒久的に固定することで、元原稿の複写を作成することができる。恒久的な固定は、通常、現像材料、つまりトナーを、熱および圧力を用いて支持体に定着させることによって達成される。本発明による定着ロールは、このプロセスにおいて用いられる。当該プロセスの最終工程では、受光部材の光導電性表面層を、クリーニングして、そこから、あらゆる残留現像材料を除去することで、以降の画像形成サイクルに備える。

上述した電子写真方式による複写プロセスは、よく知られており、デジタル複写および印刷の両方に有用であるばかりではなく、原本から光レンズ複写する際にも有用である。これらのうちの多くの用途において、上述したプロセスが動作することで、レンズ、レーザ、またはＬＥＤからの光子（フォトン）が受光体に当たる各々の位置における帯電を放電させることによって、画像形成部材上に潜像を形成する。そのような印刷プロセスは、一般に、放電させられた領域においてトナーを現像するものであり、ＤＡＤシステム、つまり「黒書き込み（write black）」システムとして知られている。光レンズによる画像システムは、一般に、帯電させられた領域においてトナーを現像するものであり、ＣＡＤシステム、つまり「白書き込み（write white）」システムとして知られている。本発明による各々の実施の形態は、ＤＡＤシステムおよびＣＡＤシステムの両方に適用される。

再度、図１を参照すると、定着ロールの回転は、歯車１１が回転するように力を加える図示されていない駆動機構と駆動歯車１１の歯１３が係合することによって生じる。スリーブ１２は、歯車１１の内径で構成されており、その結果、歯１３の係合によって、スリーブ１２も同様に駆動される。上述のように、キー１５が、スロット１４に係合するのは、シリンダ１０が、駆動歯車１１によって駆動されるようにするためである。定着ロールが回転するのに従って、印刷支持体は、定着ロールと、隣接する圧力ロールと、の間のニップに挟まれるとともに、定着ロールを覆って通り過ぎるように引っ張られて案内される。定着ロールは定着温度まで加熱されることから、結果として、加圧下で、トナーを少なくとも部分的に溶融させることによって、トナーが、複写支持体に定着させられる。

従来の駆動スロットを用いた薄肉定着コアシリンダの破損の仕方を図１に示す。この図において、シリンダコア１０の肉厚は、標準的な５．５ｍｍの肉厚よりもかなり薄い。略０．５ｍｍ〜略２．０ｍｍの肉厚では、結果として、ウォームアップ時間が、かなり短くなるとともに、エネルギ効率が、かなり向上する。肉厚が薄ければ薄いほど、ウォームアップ時間は、より短くなり、エネルギ効率は高まる。予加熱ウォームアップ時間は、略１分未満が望ましく、略３０秒未満のほうがより好適である。実験により、略３５．０ｍｍの外径を有する定着ロールには、略１．１ｍｍの肉厚が適当であるということが判明した。通常、そのような定着ロールは、毎分５０ページよりも多く印刷することが可能な、静電複写方式による画像形成システムにおいて用いられる。しかしながら、図１に示すように、例えば、亀裂１８のような亀裂が、わずか３０，０００部で、キー溝スロット１４の基部から生じた。そのような定着ロールの予想寿命は、少なくとも４００，０００部、続くことが予期されている。

最初の点検において、薄肉シリンダ上にキーによって加えられたトルク力により、亀裂が生じたということが示唆された。しかしながら、その後の調査によって、これらの亀裂は、ロールが、スロットから圧力ロールニップに入ったり出たりするように９０°回転する際の、ロール上における、特に、スロット位置における周期的な圧縮力によって生じたということが明らかになった。シリンダが回転するのに従って、その側壁部における各部において、周期的に、圧縮および引っ張りが繰り返される。シリンダ１０の全長の大部分は、回転中における著しい周期的な圧縮に耐えるように、十分にスロット１４から隔てられている。しかしながら、図２に示すように、これらの壁部は、その端部領域において、貫通スロット１４によって、この端部領域から全ての支えが取り除かれていることから、スロットの全幅に圧力ロール１６によって部分的に押圧されることに耐えるような、十分な強度を有していない。その結果、スロットが、圧力ロールのニップから略９０°回転している間において、圧力ロール１６からの圧力によって、スロット１４付近の端部領域が平らになる。従来のコアシリンダでは、そのコアシリンダの壁部の肉厚によって、周期的な圧縮を防ぐのに十分な強度が与えられている。

さらなる分析によって、スロット１４の領域における圧縮応力は、シリンダ１０の全長に沿って軸方向に向けられているということが明らかになった。そのような軸方向に向けられた応力を、図１において矢印１７によって示す。これを知ったことで、強化手段によって補強された薄肉壁部を有する定着ロールコアシリンダアセンブリを設計するための取り組みが始まった。

コアシリンダの壁部を強化する１つの解決方法を、図３に示す。図３において、シリンダ２０は、スロット無しのキー溝２４が、シリンダ２０の壁部にプレス加工された状態で図示されている。キー溝２４は、図１に示したキー１５を受け入れるような大きさとなっている。従って、コアシリンダ２０は、図１に示したシリンダ１０と同様に、駆動歯車１１によって駆動することができる。シリンダ１０と同様に、シリンダ２０の肉厚は、わずか略０．５ｍｍ〜略２．０ｍｍにすぎず、望ましくは、略１．１ｍｍ厚である。従って、迅速なウォームアップ時間とエネルギの効率化による利点は、シリンダ１０の場合と基本的に同様であり、すなわち、ウォームアップ時間が、略１分以下であって、望ましくは、略３０秒以下である。但し、キー溝２４が、スロット１４の代わりに用いられているので、これまでスロット１４によって空所となっていた領域に、金属が残っている。この金属は、プレス加工によって変形させられているとはいえ、この金属によって、図２に示した周期的な圧縮を防ぐのに十分な強度が与えられており、従って、図１に示した亀裂を防ぐのに十分な強度が与えられている。

本発明のもう１つの実施の形態を、図４に示す。この実施の形態において、図１のキー溝スロット１４に代えて、貫通穴３４を代用している。スリーブ３２は、歯車３１から外側に向かって延在しており、キー３５は、可動ピンで構成されている。ピン３５が、スリーブ３２の穴を通って、シリンダ３０の中心に滑り落ちないように、ピン３５は、フランジのついた頂部を有することが望ましい。スリーブ３２がコアシリンダ３０をぴったりと覆って、ピン３５がキー穴３４に位置合わせされると、続いて、ピン３５は、キー穴３４に押し込まれる。その結果、キー３５によって、シリンダ３０を駆動することが可能となり、かつ、シリンダ３０の端部領域は、この端部領域が、比較的小さな穴３４を除けば、完全な円筒で構成されていることから、依然として、周期的な圧縮に対して、比較的強いということになる。

さらにもう１つの実施の形態を、図５に示す。この実施の形態において、例えば、リング４６のような補強部材が、キー溝スロット４４の終端部付近に、コアシリンダ４０の内側または外側に近接して取り付けられる。図示された実施の形態では、スロット４４を機械加工するよりも前に、リング４６が、シリンダ４０に固定されたのであって、スロット４４は、リング４６の一部に入り込むように機械加工されている。もう１つの変形例としては、シリンダ４０の外側に配置されたリングがあり、例えば、シリンダ４０が定着温度まで加熱されたときに、シリンダ４０が、膨張するとともに、キー溝の終端部付近において、そのリングによって圧縮されるようになっている。圧縮されているのではあるが、この終端部におけるシリンダは、常に、圧縮された状態であり続けることから、周期的な圧縮は防止される。図５に例示された変形例の結果、損傷を与える周期的な圧縮が防止されるように、スロット４４の端部付近の領域において、シリンダ４０の壁部が強化される。平らなシートを、マンドレルの周りに巻き付けてから、シリンダを形成するように、そのシート縁端部を溶接またはその他の方法で密封することによって作成されるシリンダの場合には、例えば、リング４６のような補強部材を、そのシートが、平らな状態であるときに固定することが可能である。シートを曲げて、シリンダにしたとき、補強部材も、同様に曲がる。当業者であれば、補強部材が、完全なリングである必要はないということは分かるはずである。スロット４４付近に、またはスロット４４付近およびそのスロットの反対側に、いくつかの断片が配置されているにすぎない場合に、十分な補強である場合もある。スロットが、圧力ロールに近接しているとき、あるいは圧力ロールの反対側にあるときのシリンダの回転中におけるいくつかの部分では、周期的な圧縮が、そんなに大きな問題と考えられていない。

薄肉定着ロールコアシリンダアセンブリを示す斜視図であり、本発明による強化を伴わないそのようなアセンブリにおける破損の仕方を示す。 圧力ロールによって加圧された薄肉定着ロールコアシリンダを示す断面端面図である。 強度を上げるためにプレス加工されたキー溝を有する定着ロールコアシリンダを示す斜視図である。 キー穴および駆動歯車上における押下可能なピンを有する定着ロールコアシリンダアセンブリを示す斜視図である。 肉厚が薄いシリンダ壁部を強化する補強部材を有する定着ロールコアアセンブリを示す斜視図である。

符号の説明

１０ シリンダ、１１ 駆動歯車、１２ スリーブ、１３ 歯車の歯、１４ スロット、１５ キー、１６ 圧力ロール、１７ 応力の方向、１８ 亀裂、２０ シリンダ、２４ キー溝、３０ シリンダ、３１ 駆動歯車、３２ スリーブ、３３ 歯車の歯、３４ キー穴、３５ ピン（キー）、４０ シリンダ、４４ スロット、４６ リング。

Claims (7)

1. 略０．５ミリメートル〜略２．０ミリメートルの壁部の肉厚と、端部領域と、軸方向および半径方向と、を有する金属製のコアシリンダと、
   前記コアシリンダの端部をぴったりと覆う内径スリーブと、前記コアシリンダを回転させるキーと、を有する駆動歯車と、
   前記駆動歯車キーを受け入れる、前記コアシリンダの前記端部領域におけるキー溝と、
   前記キー溝付近における前記コアシリンダ壁部に、周期的な圧縮による亀裂を防ぐのに十分な強度を与える強化手段と、を備え、
   前記強化手段は、前記キー溝の終端部付近で前記コアシリンダの内側または外側に取り付けられたリング状の補強部材であり、前記キー溝は前記シリンダに前記補強部材が固定された後に前記補強部材の一部に入り込むように機械加工されている、
   薄肉定着ロールアセンブリ。
2. 請求項１に記載の薄肉定着ロールアセンブリであって、前記補強部材は前記コアシリンダを圧縮した状態に維持して固定されている薄肉定着ロールアセンブリ。
3. 請求項１に記載の薄肉定着ロールアセンブリであって、前記コアシリンダが平らなシートを曲げてシート縁端部を接合することにより形成される場合、前記補強部材は前記シートが平らな状態にあるときに固定される薄肉定着ロールアセンブリ。
4. 静電複写方式による画像形成システムであって、
   略０．５ミリメートル〜略２．０ミリメートルの壁部の肉厚と、端部領域と、軸方向および半径方向と、を有する金属製のコアシリンダと、
   前記コアシリンダの端部をぴったりと覆う内径スリーブと、前記コアシリンダを回転させるキーと、を有する駆動歯車と、
   前記駆動歯車キーを受け入れる、前記コアシリンダの前記端部領域におけるキー溝と、
   前記キー溝付近における前記コアシリンダ壁部に、繰り返される周期的な圧縮による亀裂を防ぐのに十分な強度を与える強化手段であって、前記強化手段は前記キー溝の終端部付近で前記コアシリンダの内側または外側に取り付けられたリング状の補強部材であり、前記キー溝は前記シリンダに前記補強部材が固定された後に前記補強部材の一部に入り込むように機械加工されている強化手段と、
   を備える薄肉定着ロールアセンブリを備える画像形成システム。
5. 請求項４に記載の静電複写方式による画像形成システムであって、前記画像形成システムは、毎分略５０ページよりも多く印刷することが可能である画像形成システム。
6. 複写シートにトナーを定着させるプロセスであって、
   略０．５ミリメートル厚〜略２．０ミリメートル厚のコアシリンダ壁部を備える薄肉定着ロールであって、前記コアシリンダに形成されたキー溝付近において肉厚の薄い前記壁部の強度が、前記コアシリンダにキー溝形成前に取り付けられたリングに前記キー溝の終端部が入り込むように機械加工されている前記リングによって構成される強化手段によって補強されている薄肉定着ロールを、略１分未満の間にわたって予加熱して、
   前記定着ロールおよび圧力ロールによって形成されたニップと係合するように複写シートを動かして、
   前記コアシリンダの端部をぴったりと覆う内径スリーブと、前記コアシリンダの前記キー溝に係合するキーと、を有する駆動歯車を用いて、前記定着ロールの回転を駆動することによって、前記ニップを通過するように前記シートを動かすことを含むプロセス。
7. 請求項６に記載のプロセスであって、前記予加熱は、略３０秒未満であるプロセス。

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