JP4851756B2

JP4851756B2 - 定着装置及びこの定着装置を備えた画像形成装置

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Publication number: JP4851756B2
Application number: JP2005261909A
Authority: JP
Inventors: 雅広八木; 敏夫小木曽; 小幡　　茂; 平岡　　力; 花島　　透; 理齊藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2025-09-09
Also published as: JP2007072364A

Description

本発明は、定着装置及びこれを用いた画像形成装置に関するものである。

従来、記録媒体上の未定着トナー像を定着する装置として、加熱定着ローラをローラ内部に配置されたハロゲンヒーターにて加熱し、その加熱定着ローラに圧力ローラをコイルスプリングなどで押圧し、ローラ間にニップ部を形成し、このニップ部にトナーが付着している記録媒体を通過させ、加圧及び加熱し、定着する方式が知られている。

印刷の高速化、筐体の小型化、製品の高信頼性、省エネ化、低コスト化等の様々な改良を行う場合、前記ローラ同士を圧接する方式では以下のような課題があった。

上記の中でも重要な印刷の高速化を行う場合には必然的に記録媒体の搬送速度が増す。その際、定着工程では、搬送速度を上げる以前と同等のトナー定着性を確保するために、同等の熱エネルギーを加える必要がある。しかし、ヒーターの熱量を上げることで対応するのは省エネ化と逆行する。よって、ヒーターの熱量は変えないことを前提とする。

まず、ローラの径を大きくすることで接触面積を増やすことが考えられる。即ち、記録媒体上のトナーを加熱する搬送方向の接触距離をより長くするものである。これにより、加熱時間を確保することが可能となる。しかしながら、ローラの径を大きくすることは筐体の小型化と逆行する。

次に、ローラ表面弾性係数を低くし、荷重値を上げる方法が考えられる。ローラ表面の弾性係数を低くするには、ローラ表面層の厚さを大きくするか、部材の剛性（ヤング率）を下げる必要がある。しかし、ローラ表面層の厚さを大きくすると、加熱ローラ全体の熱容量が上がり、加熱ローラの表面温度をある一定の温度まで昇温するのに有する加熱時間が長くなり、結果的に印刷時間が長くなる。また、印刷待機時に熱を随時供給し、加熱ローラの温度を保つ方法はあるものの、省エネ化に相反する。

一方、ローラ同士を圧接する荷重値を上げると、ローラの撓み量が増大し、ローラ軸方向の中央部と端部でニップ部の圧力差が生じ、トナーの定着特性が不均一になる場合がある。更には、不均一圧力分布が紙しわを生じさせる恐れがあり、結果的に装置の信頼性を下げることになる。

この場合、撓み量を低減させる手段として、ローラの剛性を上げるか、ローラをクラウン形状にする方法があるが、ローラの剛性を上げるとローラの熱容量が上がり、加熱時間が長くなり、省エネ化と相反する。また、クラウン形状のローラはローラを作成する工程数が多くなり、低コスト化が難しい。更に、軸方向圧力分布精度がローラの加工精度に対して感度が高くなり、結果的に信頼性を下げる可能性がある。

これらの課題を解決するため、種々の提案がされている。

従来技術に、定着装置として表面が弾性変形する回転可能な加熱ローラに出口部を局所的に弾性変形させる加圧部材を圧接してニップ部を形成し、その間に送り込まれる記録媒体上のトナー像を加圧及び加熱し定着するベルトニップ方式がある（例えば、特許文献１参照。）。

また、加熱ローラ表面付近に弾性体層を有し、加圧部材がエンドレスベルトを介して加熱ローラの外周面に沿って湾曲するように接触し、ほぼ均等な圧力分布で押圧するベルトニップ定着装置がある（例えば、特許文献２参照。）。

特許文献２記載の構成は、エンドレスベルトを内側から接触面が形成されるように加圧部材を設けることでエンドレスベルトを使用しない方法よりもニップ幅を長く形成することができ、トナーに十分な熱を与えることが可能である。これにより、印刷速度の高速化に容易に対応できる。また、エンドレスベルトを使用しない方法よりも装置全体を大きくすることなくニップ幅を長く形成することができ、装置全体の小型化に対応できる。更に、エンドレスベルトを使用しない方法よりも低圧力で長いニップ幅を形成することができ、加熱ローラの薄肉化が容易であり、定着適正温度までの加熱時間を短縮することができ、すばやい印刷開始が可能となるので、省エネ効果を上げることができる。更に、エンドレスベルトを使用しない方法よりも、加熱ローラの弾性層を硬質部材で押圧することでニップ出口部に局所的に弾性層に歪みを設けることで、セルフストリッピング（自己剥離）性能を高め、信頼性を高められる。

特許第３２９８３５４号公報

特許第３２８２４９４号公報

しかしながら、ベルトニップ方式の定着装置では、出口部の局部的な変形による速度差から画像ずれが生じやすいという課題がある。更に、加熱ローラの弾性層を硬質部材で押圧することで局所的に弾性層に歪みを設け、曲率の小さいニップ形状を作ることから、用紙に与える負荷（カール量）が大きくなる。

本発明の課題は、高速化、小型化、高信頼性、省エネ化、低コスト化を実現しながら、セルフストリップ性能を保ち、画質向上、用紙に与える負荷（カール量）低減に適した画像定着装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明では、加熱ローラと、該加熱ローラに対向して設けられ且つ回転走行可能なエンドレスベルトと、該エンドレスベルトで囲まれる内側に設けられ且つ当該エンドレスベルトを前記加熱ローラに圧接する弾性層を有する加圧部材と、により構成し、未定着トナー画像が付着している記録媒体が通過可能なニップを前記加熱ローラと前記エンドレスベルトとの間に設け、前記記録媒体上のトナーを定着させる定着装置において、前記加圧部材は、加熱ローラに対して無加圧の状態で前記加熱ローラとの対向面に凹部を有し、その搬送方向の凹面部曲率半径と前記加熱ローラ外径曲率半径の比が１．１以上、且つ、加圧部材曲率半径＞加熱ローラ曲率半径であり、前記記録媒体の搬送方向における圧力分布はニップ中心線にピークを有する凸部形状であり、前記加圧部材の断面は、加熱ローラに対向する側から前記加熱ローラに対向する面と反対側の面に向かって、搬送方向の幅が徐々に増加する末広がり形状であることを特徴とする。

また、加熱ローラと、該加熱ローラに対向して設けられ且つ回転走行可能なエンドレスベルトと、該エンドレスベルトで囲まれる内側に設けられ且つ当該エンドレスベルトを前記加熱ローラに圧接する弾性層を有する加圧部材と、により構成し、未定着トナー画像が付着している記録媒体が通過可能なニップ部を前記加熱ローラと前記エンドレスベルトとで形成し、前記記録媒体上のトナーを定着させる定着装置において、前記加圧部材は、前記加熱ローラに対して無加圧の状態で前記加熱ローラとの対向面に凹部を有し、その搬送方向の凹面部曲率半径と前記加熱ローラ外径曲率半径の比が１．１以上、且つ、加圧部材曲率半径＞加熱ローラ曲率半径であり、前記記録媒体の搬送方向における圧力分布はニップ中心線にピークを有する凸部形状であり、前記加圧部材の断面は、前記加熱ローラと対向する面に少なくとも２つの凸部を有し、該凸部先端がそれぞれ搬送方向の両端よりも搬送方向における中央位置となるように設けられ、且つ前記凸部先端が曲面形状であることを特徴とする。

また、前記エンドレスベルトと前記加圧部材の間に、前記記録媒体の搬送方向に沿って低摩擦部材を設けたことを特徴とする。

さらに、前記定着装置を備えた画像形成装置であることを特徴とする。

本発明によれば、弾性層を有した加圧部材の搬送方向の曲率と前記加熱ローラ外径曲率の比を１．１以上に設定することにより、高速化、小型化、高信頼性、省エネ化、低コスト化を実現しながら、セルフストリップ性能を保ち、画質向上、用紙に与える負荷（カール量）低減に適した画像形成装置を提供できる。

以下、本発明の実施例について図を用いて説明するが、本発明がこれらの具体的構成に限定されるものでないことは言うまでもない。

本発明に係る画像形成装置を図１〜３を用いて説明する。図１は、本実施例の定着装置の模式図である。

図１において、定着装置３０は、加熱定着ローラ１と加圧定着機構部２０から構成され、これらの間を未定着トナー３１を載せた記録媒体３２が通過可能なように設置される。

未定着トナーを加熱するための加熱定着ローラ１は、表面被覆部にフッ素樹脂またはＰＦＡ等からなる耐熱樹脂層２を有し、その内側に、シリコンゴムまたはフッ素ゴム等からなる弾性層３、さらにその内側に芯金層４を有する。また、加熱定着ローラ１の芯金層の内部には熱源６が設けられている。

加熱定着ローラ１と対向する位置に、加圧定着機構部２０を設ける。加圧定着機構部２０は、例えば、エンドレスベルト等の非画像面側無端状部材２３の内部に、加圧部材２１、加圧支持部材２２、ガイド２４、低摩擦部材２５、潤滑油供給部材２７、加圧部材加圧手段１１を備える。

弾性層を有した非画像面側搬送方向に曲率を持った加圧部材２１は、加圧支持部材２２に支えられており、さらに、加圧支持部材２２は、圧縮コイルスプリングなどからなる加圧部材加圧手段１１により加圧される。非画像面側無端状部材２３と非画像面側加圧部材２１との間にはその摩擦を低減させるために低摩擦部材２５が設けられている。また、非画像面側無端状部材２３と加圧部材２１との間の摩擦をさらに低減するため、非画像面側無端状部材２３で囲まれる内側に、潤滑油を供給する潤滑油供給部材２７を備えている。この潤滑油は、シリコンオイルもしくはフッ素オイルなどが含まれている物を使用する。また、非画像面側無端状部材２３の内側には、搬送経路を規定するガイド２４が備えられている。

上記したように、加熱定着ローラ１と加熱定着機構部２０で形成されるニップ部を、未定着トナー３１を載せた記録媒体３２が通過することで定着画像３３が形成される。

次に、図１で示した構成を用いて定着・剥離実験を行った。図２は、その際の加圧部材２１付近の実験条件を説明する説明図である。また、表１にその測定結果の一例を示す。なお、実験は温度２０℃、湿度５０％で行った。

「定着性能」について、ＯＨＰ画像が画質劣化に敏感であることを利用して、ＯＨＰ画像の画質で判定した。「◎」は定着による画質劣化なし、ＯＨＰ画質劣化なしを指し、「○」は定着による画質劣化なし、ＯＨＰ画質劣化多少あり、「×」は定着による画質劣化あり、ＯＨＰ画質劣化ありを示す。

また、「剥離性能」について、普通紙を用いて判定した。使用した用紙は、一般的な５５ｇ／ｍ^２紙、ジャム発生率は９８％とした。「◎」は自己剥離（セルフストリップ）、「○」はほとんどの用紙がセルフストリップするが、劣悪な条件（湿度が高く、薄い用紙）の場合のみ、用紙先端が剥離ガイドに突き当たることで剥離、「×」は巻き付き、もしくはジャムした場合を示す。

また、図３に、図２で示した構成の搬送方向圧力分布の例を曲率比毎に示す。なお、図３のグラフ中の１点鎖線は、加圧部材２１における搬送方向ニップ領域の中心線である。

本実験にあたっては、加熱定着ローラ１（外径：２５ｍｍ、弾性層厚さ：０．８ｍｍ、表面被覆層厚さ：０．０３ｍｍ、定着温度：１７０℃）、非画像面側無端状部材２３（外径：３０ｍｍ）、加圧部材２１（幅Ｗ：１２ｍｍ、高さＨ：４ｍｍ、軸方向長さ：２２０ｍｍ、ゴム硬度：３０Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）、総荷重：４０ｋｇｆ）という設定条件とした。そして、一般的な薄紙上に、１５ｇ／ｍ^２のトナーを付着させ、用紙搬送速度２００ｍｍ／ｓで通紙させた。

なお、加熱定着ローラ１の外径は２５ｍｍのため、その曲率半径Ｒｈは１２．５ｍｍである。また、本実験では、加圧部材２１の加熱定着ローラ１と対向する面に凹部を設け、その曲率を表１のように徐々に変化させて行った。また、表１に記載した曲率比とは（加圧部材曲率Ｒ）／（加熱定着ローラ表面曲率Ｒｈ）である。

曲率比を小さくすることで、加熱定着ローラ１の弾性層３のニップ出口部に局所的な変形を引き起こし、剥離特性を向上させる効果がある。しかしながら、曲率比が小さいと搬送方向ニップ中央部あたりで圧力が下がり定着特性が低減してしまう（例えば、図３の曲率比０．８の圧力分布）。更に、曲率比が小さいと所定の荷重値に対して必要なニップ幅を確保することが困難である。

一方、曲率比を大きくした場合、大きくなるに従って定着特性が十分得られることが分かった。なお、曲率比が大きくなると剥離特性は徐々に低下するが、曲率比∞（加圧部材搬送方向フラット形状）の場合でも十分な剥離特性を得られることが確認できた。これは加熱ローラ弾性層のニップ出口部の変形量が小さくなり、出口部での用紙の姿勢が加熱ローラ側に寄り、巻き付き易くなるためである。

具体的には、表１から分かるように、定着特性については曲率比が１．０以下の場合は、十分な定着特性が得られなかったが、曲率比が１．１の場合は最も良好な結果が得られた。なお、曲率比を無限大とした場合にも性能的には良好な結果が得られた。

また、剥離特性については、曲率比が０．９以下の場合が最もよく、また、曲率比が１．０以上の場合にも、或る程度良好な結果が得られた。

その結果、加圧部材の搬送方向曲率と加熱ローラ表面曲率の比が１．１以上の場合に、定着特性・剥離特性の両特性を確保可能なことが確認できた。

従って、曲率比を１．１以上に設定することにより、前記条件（加熱定着ローラの径、荷重、ゴム硬度、ゴム厚さ等）でニップ部に搬送方向圧力分布凸形状を作ることで定着特性と剥離特性を両方同時に確保することができる。

もし、条件が変わった場合（例えば加熱定着ローラの径が大きくなるなど）でも、曲率比を１．１以上に設定することにより、ニップ部に搬送方向の圧力分布を凸形状にすることが可能であり、本実施例と同様の効果を得ることができる。

なお、従来技術を用いた場合、小曲率硬質部材を用いて局所的に出口部を弾性変形させることにでニップ部内で速度差が生じ、結果的には画像ずれが起こることになる。従来技術は、この問題を出口部の荷重設定にて問題を解決しているが、局所的な変形による用紙に与える負荷（ペーパーダメージ）を低減することは基本的に困難である。それは、硬質部材を用いることでニップ形状の曲率が下がり、小曲率によって用紙負荷が上昇するためである。一方、本発明はこのような小曲率ニップ変形部分を作ることなく剥離性能を向上することができるので、用紙へのダメージを最小限に抑えることができる。

図４を用いて、上記の実施例１で記載した加圧部材２１を変更した構成について説明する。

なお、加圧部材２１以外は実施例１の構成と同じため、その説明については割愛する。

実施例１の加圧部材２１に代えて、搬送方向に曲率をもたせ、更に加熱ローラ回転時の回転方向の変形を阻止するために、搬送方向の両端部を末広がり形状とした、非画像面側曲面端部末広がり型加圧部材２８を用いた。

すなわち、加圧部材２１の断面は、加熱ローラに対向する側から前記加熱ローラに対向する面と反対側の面に向かって、搬送方向の幅が徐々に増加する末広がり形状である。

言い換えると、加圧部材２１は、前記加熱ローラと対向する面に少なくとも２つの凸部を有し、該凸部先端がそれぞれ搬送方向の両端面よりも内側となるように設けられ、且つ前記凸部先端が曲面形状となっている。

末広がり型加圧部材２８は、搬送方向の加圧部材の変形を規制することで、ニップ入口及び出口の圧力が大きくなる。これにより、加熱ローラ側の弾性層の変形が大きくなり、剥離性能を向上させる。

また、その断面形状は、中央の凹部曲率と両端の末広がり形状とが滑らかに繋がる形状となっており、これにより、さらに、非画像面側無端状部材（エンドレスベルト）２３の走行を円滑にし、定着時の画像乱れを防止する。

なお、実施例１と同様、潤滑油を安定的に供給するためにエンドレスベルトの裏側に潤滑油供給部材２７を設けた。本構成の場合にも、実施例１と同様、曲率比を１．１以上に設定することで、剥離特性および定着特性が十分な定着装置を得ることが可能である。

次に、上記各実施例で説明した定着装置が搭載される画像形成装置の一例を図５に示す。図５において、１０１は感光体ベルトであり、矢印ｄ方向へ無端移動可能に支持されている。１０２は帯電ブラシ、１０３は帯電ローラであり、帯電ブラシ１０２および帯電ローラ１０３は感光体ベルト１０１の表面に接触させて設けられ、感光体ベルト１０１の表面を均一に帯電させる。均一に帯電された感光体ベルト１０１の表面に光を照射する露光装置１０４は、パソコン、イメージスキャナ等による画像、文字の情報に従いドット単位で感光体ベルト１０１を露光し、感光体ベルト１０１の表面に静電潜像を形成する。

感光体ベルト１０１上に形成された静電潜像には、黒トナーの現像機１０５Ｋ、イエロートナーの現像機１０５Ｙ、マゼンタトナーの現像機１０５Ｍ、シアントナーの現像機１０５Ｃのいずれかによりトナーが供給されてトナー像として顕像化され、第１転写位置Ｔ１へ搬送される。第１転写位置Ｔ１では、感光体ベルト１０１と中間転写体１０６との電位差により、感光体ベルト１０１上のトナー像が中間転写体１０６の表面へ転写される。

第１転写位置Ｔ１を通過した感光体ベルト１０１の表面は、残像除去器１０７からの光照射により電位が一定以下に落とされて静電潜像が消去され、続いて清掃装置１０８により第１転写位置Ｔ１で転写されずに感光体ベルト１０１上に残留したトナーが除去され、次の画像形成が可能な状態となる。

上記の工程を、各現像機１０５Ｋ、１０５Ｙ、１０５Ｍ、１０５Ｃにより必要数繰り返すことにより、中間転写体１０６の表面には、画像、文字の情報に見合うトナー像が形成される。

その後、中間転写体１０６上に転写されたトナー像は第２転写位置Ｔ２で転写器１０９によって、記録媒体供給装置１１０によりカセット１１１から供給された記録媒体３２に転写される。トナー像が転写された記録媒体３２は、中間転写体１０６から剥離され、定着装置１１２に送り込まれ、トナー像を記録媒体３２に定着し、記録媒体排出装置１１３によって排出される。なお、１１４は中間転写体１０６の表面を清掃する清掃装置である。

このような画像形成装置に、本発明の定着装置を適用した場合には、定着装置の剥離性能が向上するので高信頼性を得ることができる。また、定着装置が小型化、低コスト化、省エネ化が図れるので画像形成装置の小型化、低コスト化、省エネ化を図ることが可能である。更に、剥離性能が向上したことで、画像形成装置の高速化も図ることができ、用紙に大きな負荷を与えることがないので、定着時の画像の乱れが少なくなり高画質化に繋がる。

本発明の定着装置に関する概略図である。図１の実験装置構成にて行った定着・剥離実験結果である。図２の組み合わせにて行った圧力分布を表すグラフである。弾性層を有した加圧部材と加圧部材変形を規制する形状（末広がり形状）、端部を曲面にした加圧部材を用いた装置構造に関する説明図である。画像形成装置の全体を示す模式図である。

符号の説明

１は加熱定着ローラ、２は耐熱樹脂層、３は弾性層、４は芯金層、６は熱源、１１は加圧部材加圧手段、２０は加圧定着機構部、２１は加圧部材、２２は加圧支持部材、２３は非画像面側無端状部材、２４はガイド、２５は低摩擦部材、２７は潤滑油供給部材、２８は非画像面側曲面端部末広がり型加圧部材、３０は定着装置、３１は未定着トナー、３２は記録媒体、３３は定着画像である。

Claims

加熱ローラと、該加熱ローラに対向して設けられ且つ回転走行可能なエンドレスベルトと、該エンドレスベルトで囲まれる内側に設けられ且つ当該エンドレスベルトを前記加熱ローラに圧接する弾性層を有する加圧部材と、により構成し、未定着トナー画像が付着している記録媒体が通過可能なニップを前記加熱ローラと前記エンドレスベルトとの間に設け、前記記録媒体上のトナーを定着させる定着装置において、
前記加圧部材は、加熱ローラに対して無加圧の状態で前記加熱ローラとの対向面に凹部を有し、その搬送方向の凹面部曲率半径と前記加熱ローラ外径曲率半径の比が１．１以上、且つ、加圧部材曲率半径＞加熱ローラ曲率半径であり、
前記記録媒体の搬送方向における圧力分布はニップ中心線にピークを有する凸部形状であり、
前記加圧部材の断面は、加熱ローラに対向する側から前記加熱ローラに対向する面と反対側の面に向かって、搬送方向の幅が徐々に増加する末広がり形状であることを特徴とする定着装置。
加熱ローラと、該加熱ローラと対向して設けられ且つ回転走行可能なエンドレスベルトと、該エンドレスベルトで囲まれる内側に設けられ且つ当該エンドレスベルトを前記加熱ローラに圧接する弾性層を有する加圧部材と、により構成し、未定着トナー画像が付着している記録媒体が通過可能なニップを前記加熱ローラと前記エンドレスベルトとの間に設け、前記記録媒体上のトナーを定着させる定着装置において、
前記加圧部材は、前記加熱ローラに対して無加圧の状態で前記加熱ローラとの対向面に凹部を有し、その搬送方向の凹面部曲率半径と前記加熱ローラ外径曲率半径の比が１．１以上、且つ、加圧部材曲率半径＞加熱ローラ曲率半径であり、
前記記録媒体の搬送方向における圧力分布はニップ中心線にピークを有する凸部形状であり、
前記加圧部材の断面は、前記加熱ローラと対向する面に少なくとも２つの凸部を有し、該凸部先端がそれぞれ搬送方向の両端よりも搬送方向における中央位置となるように設けられ、且つ前記凸部先端が曲面形状であることを特徴とする定着装置。
前記エンドレスベルトと前記加圧部材の間に、前記記録媒体の搬送方向に沿って低摩擦部材を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の定着装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。