JP5032811B2 - 画像形成装置に用いられるローラ - Google Patents

Description

本発明は、複写機やプリンタ等の画像形成装置に用いられるローラに関し、特に高温環境下で大きな荷重が掛かる加熱定着器に用いれば好適なローラに関する。

従来、複写機、プリンタ、あるいは、ファクシミリ装置などに金属ローラが用いられている。かかる金属ローラとして、ローラ部と軸部が絞り加工もしくは切削加工により一体成形されたものや、ローラ部と軸部を別体で成形した後、ローラ部に軸部を圧入して一体的に結合されたものがある。

しかしながら、前者の金属ローラにおいては、特にローラ部と軸部の外径の差が大きい場合など、軸部とローラ部の同心度を高精度で出すのが困難であったり、製作加工に時間がかかる上に大掛かりな装置が必要である。

また、後者の金属ローラは、軸部の圧入深さを確保する為に中実ローラを使用しなければならず、その為ローラ部にかかるコストが増加してしまう。また、重量も増すために、装置の組立時の取り扱いが困難になったり、ユーザが交換を行うユニットに使用した場合は、ユーザビリティ上の問題も発生した。

そこで、金属パイプにフランジを圧入した上に溶接により固着させる手法が提案されている（特許文献１参照）。かかる技術によれば、軸部が一体化されたフランジを金属パイプに圧入した上に溶接により固着させる為、軸部とローラ部の同心度は高精度で出すことができる。

また、金属パイプを使用しているため、ローラ内部は中空であり、ローラ部にかかるコストをおさえることもできる。さらに、ローラ内部が中空である為に金属ローラとしての重量を軽量化することができ、装置の組立時やユニットの交換時などの取り扱いが容易になる。

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、フランジと金属パイプを圧入した上に溶接をする為に、製作加工上溶接工程を行う為の設備が必要となり、部品単価が高くなってしまう。

図３（ａ）、図３（ｂ）は従来（特許文献１）の金属ローラの概略断面図である。図３（ａ）に示すように、金属ローラ４００は、金属パイプ４０１、フランジ４０２、金属パイプ４０１とフランジ４０２を溶接した溶接部４０３から構成される。フランジ４０２は、軸部４０４を有し、軸部４０４は金属パイプ４０１と同一中心（同心）かつ外側に伸長している。

金属ローラ４００が例えば、画像形成装置内の定着ユニット等に用いられた場合、金属パイプ４０１の外周面全域にわたって圧力４０５を受ける。圧力４０５は、１〜１００ｋｇにもなり、常時一方向から加圧されている。また、ジャム処理時などのように一度圧を解除してから再度加圧する場合もある。さらに、金属ローラ４００の回転速度は出力する転写材の種類によって変動するため複数設定され、駆動と停止を繰り返す。

従って金属ローラ４００は、常時高荷重に耐えながら不定期に急激な荷重変動を受けつつ、複数の速度の回転開始・停止を繰り返すことになる。この為、フランジ４０２と金属パイプ４０１の結合部には、多大な負荷が繰り返し加えられる。

これによって、図３（ｂ）に示すように変形してしまい、最終的には、フランジ４０２が金属パイプ４０１から抜けてしまう状態に陥ってしまう。このような条件では、溶接部４０３がフランジ４０２の変形に対しては十分有効な対策にはなりえない。また、変形を回避するためにはフランジ４０２の圧入しろを大きく取ることが有効であるものの、重量増によるユーザビリティやコストを犠牲にしなくてはならない。

また、特許文献２や特許文献３には、金属パイプにフランジを圧入した後、これらをピンで結合することが記載されている。

特開平１０−２８１１４０号公報 特許２９１１５４３号公報 特開昭６３−８４８２７号公報

しかしながら、画像形成装置に用いるローラとして、特に、高温環境下で大きな荷重が掛かる加熱定着器に用いるローラとして、単にピンで結合するだけの構成では強度的に充分ではない。

上記課題を解決するための本発明は、金属パイプと、軸部を有しており前記金属パイプの端部にしまり嵌めされているフランジと、前記金属パイプと前記フランジに貫通するピンと、を有する画像形成装置に用いられるローラにおいて、前記金属パイプの前記ピンが貫通している部分を覆うように前記金属パイプの表面には弾性層が設けられており、前記ピンは前記金属パイプと前記フランジの両方に対してしまり嵌めされており、前記ピンは前記金属パイプと同じ材質であり、且つ前記フランジよりも線膨張係数が大きい材質であることを特徴とする。

本発明によれば、高温環境下で大きな荷重が掛かっても強度を確保できる。

（画像形成装置１００）
図２は本発明のローラを用いた加熱定着器を搭載する画像形成装置の構成図である。図２に示すように、この画像形成装置１００は、電子写真方式で、インライン型のフルカラープリンタである。画像形成装置１００は、画像形成部１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの４つの画像形成部（画像形成ユニット）を備える。これらの４つの画像形成部１ａ〜１ｄは、一定の間隔をおいて一列に配置されており、イエロー色、マゼンタ色、シアン色、ブラック色の画像を形成する。

各画像形成部１ａ〜１ｄには、それぞれ像担持体としてのドラム型の電子写真感光体（以下、感光体ドラムという）２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが設置されている。各感光体ドラム２ａ〜２ｄの周囲には、帯電器３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、現像装置４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、ドラムクリーニング装置５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄがそれぞれ設置されている。帯電器３と現像装置４の間の上方には露光装置６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄがそれぞれ設置されている。各現像装置４ａ〜４ｄには、それぞれイエロートナー、マゼンタトナー、シアントナー、ブラックトナーが収納されている。

また、画像形成装置１００は、給送部２０、搬送装置３０、定着装置４０を有している。

給送部２０は、給送カセット２１、給送ローラ２２、転写材搬送ガイド２３、レジストローラ２４を有している。

搬送装置３０は、転写ローラ３４ａ〜３４ｄ、テンションローラ３２、駆動ローラ３３を有している。転写ローラ３４ａ〜３４ｄは、各転写部Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔｄのニップ部にて無端ベルト状の転写材搬送ベルト（以下、転写ベルトという）３１を介して各感光体ドラム２ａ〜２ｄに当接している。転写ベルト３１は、テンションローラ３２、駆動ローラ３３間に張架されており、駆動ローラ３３の駆動によって転写材Ｐを搬送する方向（搬送方向）に回転（移動）される。

定着装置４０は、転写ベルト３１の搬送方向の下流側に設置されている。定着装置４０は、加圧ローラ４１、加熱ローラ４２を有している。加圧ローラ４１は、転写材を加圧する加圧手段である。加熱ローラ４２は、熱源を内包し、転写材を加熱する加熱手段である。

（画像形成動作）
次に、画像形成装置１００による画像形成動作について説明する。画像形成開始信号が発せられると、各画像形成部１ａ〜１ｄの各感光ドラム２ａ〜２ｄは所定のプロセススピードで回転駆動する。各感光ドラム２ａ〜２ｄは、それぞれ帯電器３ａ〜３ｄによって一様に負極性に帯電される。露光装置６ａ〜６ｄは、出力画像に対応する画像信号をレーザ出力部（不図示）にて光信号にそれぞれ変換し、変換された光信号であるレーザ光を出射する。このレーザ光によって帯電された各感光ドラム２ａ〜２ｄ上がそれぞれ走査露光され、各感光ドラム上に静電潜像が形成される。

次に静電潜像にトナーを付着させて現像する工程、及びこの工程以降の工程を説明する。

先ず感光ドラム２ａ上に形成された静電潜像に、感光ドラム２ａの帯電極性（負極性）と同極性の現像バイアスが印加された現像装置４ａによりイエローのトナーを付着させて、トナー像として可視像化する。

一方、給送カセット２１に積載された転写材Ｐは、給送ローラ２２によって転写材搬送ガイド２３にガイドされながら給送される。給送された転写材Ｐは、感光ドラム２ａ上のトナー像先端が感光ドラム２ａと転写ローラ３４ａ間の転写部Ｔａに移動するタイミングに合わせて、レジストローラ２４により転写部Ｔａに搬送される。転写部Ｔａに搬送された転写材Ｐは、転写バイアス（トナーと逆極性（正極性））が印加された転写ローラ３４ａによりイエローのトナー像を転写される。

イエローのトナー像が転写された転写材Ｐは、転写材搬送ベルト３１によって画像形成部１ｂに移動される。そして、画像形成部１ｂと転写ローラ３４ｂによって構成された転写部Ｔｂにおいても、同様にして感光ドラム２ｂに形成されたマゼンタのトナー像を、転写材Ｐ上のイエローのトナー像上に重ね合わせて、転写される。以下同様にして、シアン、ブラックのトナー像を各転写部Ｔｃ、Ｔｄにて順次重ね合わせて、フルカラーのトナー像を転写材Ｐ上に形成する。

フルカラーのトナー像が形成された転写材Ｐは、搬送ガイド３５によって定着装置４０に搬送される。定着装置４０に搬送された転写材Ｐは、加熱ローラ４２と加圧ローラ４１間の定着ニップで加熱・加圧され、フルカラーのトナー像を熱定着される。トナー像を熱定着された転写材Ｐは、排出ローラ４９によって排出トレイ５１上に排出される。以上で一連の画像形成動作を終了する。

なお、画像を感光体ドラム２から転写材Ｐに転写した際において、各感光ドラム２ａ〜２ｄ上に残留している転写残トナーは、各ドラムクリーニング装置５ａ〜５ｄによってそれぞれ除去されて回収される。

また、モノクロ画像出力時は、上記の画像形成プロセスをブラック色の画像を形成する画像形成部１ｄにおいてのみ行う。

（定着装置４０）
次に、定着装置４０について詳細に説明する。図１は搬送方向上流側から見た定着装置４０の要部断面図である。

図１に示すように、加圧ローラ４１は、金属ローラ、弾性体４１５を有している。金属ローラは、金属パイプ４１１、フランジ４１２、ピン４１３を有している。

金属パイプ４１１は、金属製の中空パイプであり、その両端部にフランジ４１２が圧入（しまり嵌め）されている。

フランジ４１２は、張出部４１２ａと軸部４１４を有している。張出部４１２ａは金属パイプ４１１の内径と略同径（少し大きい径）の円盤状である。軸部４１４は金属パイプ４０１と同一中心（同心）かつ外側に伸長している。

ピン４１３は、金属パイプ４１１とフランジ４１２の接合部分において、金属パイプ４１１、フランジ４１２を軸方向と垂直な方向（半径方向）に貫通している。弾性体４１５は、金属パイプ４１１の外周面に設けられ、弾性層を形成している。この弾性層は金属パイプ４１１のピン４１３が貫通している部分を覆うように金属パイプ４１１の表面に設けられている。

ところで、ローラ４１に掛かるコスト、及びローラ４１の重量、強度等をトータルで考慮した場合、フランジ４１２の材料として鉄が好ましく、金属パイプ４１１の材料としてアルミニウムが好ましい。なぜなら、鉄はアルミニウムよりも密度が約３倍高く、鉄で金属パイプ４１１を作製すると非常に重くなってしまう。したがってローラの軽量化を考慮するとアルミニウムで金属パイプ４１１を作製したほうが好ましい。コスト的にも、鉄製のパイプよりアルミニウム製のパイプのほうが安く仕上がる。

一方、フランジ４１２の軸部４１４は大きな荷重を受けるので、フランジ４１２はアルミニウム製より強度的に強い鉄製のほうが好ましい。

以上のように、ローラ４１に掛かるコスト、及びローラ４１の重量、強度等をトータルで考慮した場合、フランジ４１２の材料として鉄が好ましく、金属パイプ４１１の材料としてアルミニウムが好ましい。

しかしながら、アルミニウムの線膨張係数は鉄よりも大きいので、ローラ４１が昇温すると金属パイプ４１１とフランジ４１２のしまり嵌め状態が緩んでしまう可能性がある。

そこで本実施例は、金属パイプがフランジよりも線膨張係数の大きな材質であっても、昇温による金属パイプとフランジ間の緩みを抑えられる構成を提供するものである。

本実施例で用いているピン４１３は、金属パイプ４１１と同材質で製作され、かつ圧入して金属パイプ４１１、フランジ４１２を貫通している。つまり、ピン４１３は金属パイプ４１１とフランジ４１２に対してしまり嵌めされている。また、金属パイプ４１１およびピン４１３は、フランジ４１２より線膨張係数が大きい部材を使用している。つまり、ピン４１３はフランジ４１２よりも線膨張係数が大きい材質であり、且つピン４１３は金属パイプ４１１と同じ材質である。例えば、金属パイプ４１１およびピン４１３にはアルミ材を使用し、フランジ４１２には鉄材を使用するのが望ましい。

これにより、加熱ローラ４２によって加圧ローラ４１が熱せられた場合でも、熱膨張によってフランジ４１２とピン４１３の圧入状態（しまり嵌め状態）が緩むことはない。また金属パイプ４１１とピン４１３の圧入状態（しまり嵌め状態）も緩むことはない。よって、金属パイプ４１１とフランジ４１２は、強固な結合を保持できる。

また、フランジ４１２は、金属パイプ４１１との接合面にローレット加工を施しており、金属パイプ４１１から抜けないように補強している。なお、金属パイプ４１１のフランジ４１２との接合面にローレットを施して、フランジ４１２が金属パイプ４１１から抜けないように補強してもよい。

弾性体４１５はシリコーンゴムであり、その表面には更にフッ素樹脂の離型層が設けられている。弾性体４１５を含めた加圧ローラ４１の外径は、φ１０〜５０ｍｍが望ましい。

軸部４１４は、ベアリング４４を介して側板４３に支持されている。一方の軸部４１４には駆動伝達ギア４６が固定されており、駆動手段である駆動モータ４７からの駆動回転を加圧ローラ４１に伝達する。駆動モータ４７は、定着する転写材の種類によって搬送速度を複数切り替えることができる。

一方、加熱ローラ４２は、内部に熱源（不図示）を有し、転写材上の未定着トナー像を定着させる為に、外周表面は１５０〜２００℃まで上昇する。また、加圧バネ４５によって加圧ローラ４１に向かって付勢されている。この時の当接圧（圧力）は、１〜１００ｋｇが望ましい。また、不図示の圧調整手段により当接圧を調整できる。

ここで、加圧ローラ４１には、加熱ローラ４２から外周面全域に渡って高い圧力（１〜１００ｋｇ）が常時一方向より作用している。また、転写材の種類に応じた圧調整手段による圧力調整や、ジャム処理（一旦、加圧状態を解除してから再度加圧する）によって、加圧ローラ４１に加わる圧力が変動する。また、転写材の種類によって駆動モータ４７の速度を切り換えるように設定されており、加圧ローラ４１は複数の回転速度を有することになる。加圧ローラ４１の速度が変わると加圧ローラ４１に従動回転する加熱ローラ４２の回転速度が変動（停止を含む）する。

従って、加圧ローラ４１は、常時高荷重に耐えながら不定期に急激な荷重変動を受けつつ、複数の速度の回転開始・停止を繰り返すことになる。この為、フランジ４１２と金属パイプ４１１の結合部には、多大な負荷が繰り返し加えられる。

この場合においても、フランジ４１２は、ピン４１３によって強固に金属パイプ４１１と結合しているため、フランジ４１２が変形することはない。また、ピン４１３の作用によってフランジ４１２が金属パイプ４１１から抜けることもなく、安定した動作を保証できる。

また、ピン４１３は、金属パイプ４１１と同一材料で構成され、線膨張係数がフランジ４１２よりも大きい。このため、加熱ローラ４２によって加圧ローラ４１が熱せられた場合でも、熱膨張によってピン４１３と金属パイプ４１１との圧入状態、及びピン４１３とフランジ４１２との圧入状態が緩むことはなく、強固な結合を保持することができる。

さらに、金属パイプ４１１は中空であるため、加圧ローラ４１の重量を軽減することができる。このため、定着装置４０（画像形成装置１００）の組立時や定着装置４０（定着ユニット）の交換時などの取り扱いが容易かつ、簡易となる。また、加圧ローラ４１にかかるコストをおさえることもできる。

なお、金属ローラ（金属パイプ４１１、フランジ４１２、ピン４１３）は、加熱ローラ４２に用いたとしても、同様に有効である。また、無端ベルト（転写ベルト３１）を用いた搬送装置３０の支持ローラ（テンションローラ３２、駆動ローラ３３）に上述した実施例のような金属ローラを用いてもよい。特に、定着装置４０に最も近い駆動ローラ３３は、転写ベルト３１のテンションを常時一方向から受けていたり、定着装置４０に近接し、その熱の影響を受けたりする。このため、駆動ローラ３３に本実施例のようなローラを用いれば、定着装置４０に用いた場合と同様の効果が得られる。また、中間転写方式の画像形成装置においては、中間転写ベルトユニットの支持ローラに本実施例のような金属ローラを用いても、同様の効果を得られる。

本発明は上述の実施例にとらわれるものではなく、技術思想内の変形を含むものである。

本発明のローラを用いた加熱定着器を記録紙搬送方向上流側から見た場合の断面図である。 本発明のローラを用いた加熱定着器を搭載した画像形成装置の構成図である。 従来の金属ローラの概略断面図である。

符号の説明

Ｐ…転写材、Ｔ…転写部、１…画像形成部、２…感光体ドラム、３…帯電器、４…現像装置、５…ドラムクリーニング装置、６…露光装置、２０…給送部、２１…給送カセット、２２…給送ローラ、２３…転写材搬送ガイド、２４…レジストローラ、３０…搬送装置、３１…転写ベルト、３２…テンションローラ、３３…駆動ローラ、３４…転写ローラ、３５…搬送ガイド、４０…定着装置、４１…加圧ローラ（加圧手段）、４２…加熱ローラ（加熱手段）、４３…側板、４４…ベアリング、４５…加圧バネ、４６…駆動伝達ギア、４７…駆動モータ、４９…排出ローラ、５１…排出トレイ、１００…画像形成装置、４１１…金属パイプ、４１２…フランジ部材、４１２ａ…張出部、４１３…ピン、４１４…軸部、４１５…弾性体

Claims (5)

1. 金属パイプと、軸部を有しており前記金属パイプの端部にしまり嵌めされているフランジと、前記金属パイプと前記フランジに貫通するピンと、を有する画像形成装置に用いられるローラにおいて、
   前記金属パイプの前記ピンが貫通している部分を覆うように前記金属パイプの表面には弾性層が設けられており、
   前記ピンは前記金属パイプと前記フランジの両方に対してしまり嵌めされており、
   前記ピンは前記金属パイプと同じ材質であり、且つ前記フランジよりも線膨張係数が大きい材質であることを特徴とする画像形成装置に用いられるローラ。
2. 前記金属パイプと前記フランジの少なくとも一方の接合面はローレット加工されていることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置に用いられるローラ。
3. 前記金属パイプは前記フランジよりも線膨張係数が大きい材質であることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置に用いられるローラ。
4. 前記ローラは画像形成装置に搭載される加熱定着器に用いられるローラであることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置に用いられるローラ。
5. 前記ローラは画像形成装置に搭載されるベルト駆動用のローラであることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置に用いられるローラ。