JP5396947B2 - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents
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電磁誘導発熱方式の定着装置では、例えば、磁界を発生するコイルと、コイルから発生した磁界の作用により発熱する導電層を有する回転可能な無端状のベルト(定着ベルト)と、ベルトの内側を支持する部材と、ベルトとともに記録媒体を搬送する加圧ロールを備えた定着装置が提案されている(例えば、特許文献1,2参照)。
請求項1に係る発明は、回転する無端状のベルト部材と、前記ベルト部材の内側又は外側に配置された発熱源と、前記ベルト部材に対して熱伝導を行う加熱補助部材と、少なくとも表面から内部にかけて多孔質構造を有し、下記群(1)から選択される材料からなり、前記ベルト部材と接触するように前記加熱補助部材に固定され、前記ベルト部材との間に当該多孔質構造によって潤滑剤を保持する摺動部材と、前記ベルト部材に対して圧力を加える加圧部材と、を有し、未定着の画像が形成された記録媒体を前記ベルト部材と前記加圧部材との間に通過させることにより、前記画像を前記記録媒体に定着させる定着装置である。
−群(1)−
ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルケトン、ポリサルフォン、ポリイミド、ポリイミドアミド、ポリアミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリエーテルエーテルケトン、およびポリテトラフルオロエチレン
請求項2に係る発明は、前記摺動部材が、ポリイミド樹脂により形成されている請求項1に記載の定着装置である。
請求項3に係る発明は、前記加熱補助部材が、電磁誘導加熱体又は抵抗発熱体を含む請求項1又は請求項2に記載の定着装置である。
請求項4に係る発明は、前記多孔質構造における細孔の大きさ(口径)が0.01μm以上100μm以下である請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の定着装置である。
請求項5に係る発明は、前記摺動部材が前記加熱補助部材の前記ベルト部材と相対する面全体を覆うように固定されている請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の定着装置である。
請求項6に係る発明は、前記摺動部材の前記ベルト部材との摺動方向における先端及び後端が、前記加熱補助部材の末端に巻き付くように固定されている請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の定着装置である。
請求項7に係る発明は、請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の定着装置を備える画像形成装置である。
請求項2に係る発明によれば、摺動部材がポリイミド樹脂以外により形成されている場合に比べて、加熱補助部材とベルトとの接触部分の磨耗がより長期にわたって抑制される定着装置が提供される。
請求項3に係る発明によれば、加熱補助部材が電磁誘導加熱体又は抵抗発熱体を含まない場合に比べ、より高速化が実現される定着装置が提供される。
請求項7に係る発明によれば、本構成の定着装置を有さない場合に比べ、記録媒体の安定した搬送が実現される画像形成装置が提供される。
例えば、発熱層を持つ定着ベルトの内側に、加熱補助部材として熱を蓄える機能を持った部材(適宜、「蓄熱部材」という。)を接触させた状態でベルトを駆動(回転)させると、ベルトと蓄熱部材との接触部分に摺動抵抗が発生し、ベルトと蓄熱部材の磨耗の発生、及びベルト駆動トルクの増大により、耐久性の低下につながる。このようなベルトと蓄熱部材との摺動により、図4に示すように金属製の蓄熱部材であってもその表面が摩耗してしまう。
本実施形態に係るベルト部材102は、無端状のベルト(シームレスベルト)であり、例えば、ポリイミドに代表される耐熱性樹脂ベルト(基層)に、電磁誘導可能な金属層(発熱層)、耐熱弾性層、及び離型層が積層して形成されている。例えば、フローコートにより形成されたポリイミドベルトの外周面に金属発熱層をめっきによって形成し、更にフローコートによってシリコンゴムで被覆し、焼成・二次加硫した上で、離型層(PFAチューブ)を被覆・焼成することで耐熱定着ベルトが形成される。
上記各層のほかに保護層などの他の機能層を設けてもよい。
定着ベルト102に対して加圧ロール104の反対側において、ベルト外周面と対向する位置には、絶縁性の材料で構成されたボビン(コイル支持部材)108が配置されている。ボビン108は、定着ベルト102の外周面に倣った略円弧状に形成されている。ボビン108と定着ベルト102との間隔は、例えば1mm以上3mm以下とする。
なお、発熱源は、上記のような電磁誘導加熱体に限定されず、抵抗発熱体であってもよい。
一例として、定着ベルト102の内側で支柱114の上方には、ベルト部材102を間に挟んで励磁コイル110と対向するように加熱補助部材(蓄熱部材)118が配置されている。
加熱補助部材118は、例えばキューリー温度以上になると誘導電流が流れなくなる感温磁性金属(Fe−Ni合金)で構成される。この磁性金属材料は、例えばその比透磁率が100以上、望ましくは500以上の強磁性体である。加熱補助部材118は、磁路形成部材112との間で、磁界による閉磁路を形成し、磁界の電磁誘導作用により発熱するとともに、熱が加熱補助部材118の内部に蓄熱される。
なお、加熱補助部材118は、上記のような電磁誘導加熱体に限定されず、例えば、抵抗発熱体も好ましい。このような発熱体又は加熱体を用いることで、定着ベルト102の温度低下がより小さく抑えられる。また、加熱補助部材118は、必ずしも発熱機能を有する必要はなく、定着ベルトの温度低下を抑制する機能を有するものであればよく、例えば、発熱機能は無くても蓄熱機能を有するものでもよい。
加熱補助部材118の外周面には、図1及び図3に示すように、潤滑油を効率的に保持するための多孔質構造を有するフイルム状(シート状)の摺動部材124が設けられている。摺動部材124は、少なくともベルト102に接する表面近傍が多孔質構造を有していればよく、摺動部材124の表層のみ、あるいは、摺動部材全体が多孔質構造であってもよい。この多孔質構造とは、多数の微細な連続孔が摺動部材124表面から内部にかけて存在している状態を示し、貫通している必要はない。
定着装置が駆動中のベルトは、常に同じ周速度で回転しているわけではなく、例えば用紙搬送中の周速度は、「通紙部<非通紙部」となる。摺動部材124の厚みが200μm以上であれば、ベルト内面と接触している摺動部材124に速度差による「しわ」が発生することが抑制され、「しわ」により生じ得る隙間による伝熱の低下や、加熱補助部材による蓄熱機能等の低下が抑制される。また、「しわ」による接触均一性の低下や、突出した接触によるベルト及び加熱補助部材の磨耗も抑制される。
このように、少なくとも表面に多孔質構造を有する摺動部材124がベルト部材102と接触するように蓄熱部材118に固定されていることで、蓄熱部材118がベルト102に直接接触する場合に比べ、摺動部材124とベルト部材102との間に潤滑剤が保持され易くなる。これにより、摺動抵抗が大幅に低下し、蓄熱部材118の表面がベルト102との接触によって削られることが防止されるとともにベルト102の摩耗も抑制される。そのため、駆動トルクの増加も抑制され、大出力の駆動装置(モーター)が不要となり、装置の小型化も実現される。一方、蓄熱部材118による発熱機能や蓄熱機能はほとんど影響を受けず、長期にわたって用紙の搬送性が良好に維持され、高速化が実現される。
ポリイミド前駆体溶液を支持体上に塗布してポリイミド前駆体塗膜を形成する工程(以下、「PI前駆体塗膜形成工程」という)、ポリイミド前駆体塗膜表面に貫通孔を多数有する溶剤置換速度調節材を被覆し、ポリイミド前駆体塗膜を凝固溶媒に接触させて、表面に多孔質構造を有するポリイミド前駆体塗膜を形成する工程(以下、「PI前駆体析出工程」という)、及び、表面に多孔質構造を有するポリイミド前駆体塗膜を、熱イミド化処理して、表面に多孔質構造を有するポリイミド樹脂層を形成する工程(以下、「PI樹脂層形成工程」という)によってシート状の摺動部材が作製される。
以下、各工程について具体的に説明する。
PI前駆体塗膜形成工程では、通常、支持体の表面に、ポリイミド前駆体溶液を塗布することでポリイミド前駆体塗膜を形成するが、当該溶液に使用するポリイミド前駆体としては、ジアミノ化合物とテトラカルボン酸二無水物とから得られるポリアミド酸等が挙げられる。また、ポリイミド前駆体を溶解する溶剤としては、N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、アセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド等の非プロトン系極性溶剤が挙げられる。
また、ポリイミド前駆体溶液には、目的に応じて、滑剤、可塑剤、導電性粒子、酸化防止剤その他の添加物が添加されてもよい。
芳香族テトラカルボン酸の代表例としては、例えば、ピロメリット酸二無水物、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、2,3,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、2,3,6,7−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、1,2,5,6−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)エーテル二無水物、あるいはこれらのテトラカルボン酸エステル、または上記各テトラカルボン酸類の混合物等が挙げられる。
一方、芳香族ジアミン成分としては、例えば、パラフェニレンジアミン、メタフェニレンジアミン、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ジアミノフェニルメタン、ベンジジン、3,3’−ジメトキシベンチジン、4,4’−ジアミノジフェニルプロパン、2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]プロパン等が挙げられる。
PI前駆体析出工程では、ポリイミド前駆体塗膜を凝固溶媒に接触させる際、ポリイミド前駆体塗膜表面に貫通孔を多数有する溶剤置換速度調節材を被覆しておく。この凝固溶剤は、ポリイミド前駆体には不溶で、ポリイミド前駆体溶液の溶剤(非プロトン系極性溶剤)には相溶する溶剤である。このため、ポリイミド前駆体塗膜を、凝固溶媒に接触させると、ポリイミド前駆体塗膜から溶剤(プロトン系極性溶剤)が凝固溶媒に染み出て、代わりに凝固溶媒が浸透する。ポリイミド前駆体は凝固溶媒には不溶なのでポリイミド前駆体は析出する。この凝固溶剤に接触させる際に、ポリイミド前駆体塗膜表面に、溶剤置換速度調節材を被覆することで、当該調節材の貫通孔からのみ、凝固溶剤がポリイミド前駆体塗膜と接触する。そして、この接触した部分にのみ、溶剤(プロトン系極性溶剤)が凝固溶媒に染み出て、代わりに凝固溶媒が浸透し、ポリイミド前駆体塗膜では、上記調節材の貫通孔の部分にのみ細孔が形成される。このため、表面に多孔質構造を有するポリイミド前駆体塗膜が形成される。表面に多孔質構造を有するポリイミド前駆体塗膜を形成後、溶剤置換速度調節材は剥離する。
また、ポリイミド前駆体塗膜から凝固溶剤への非プロトン系極性溶剤の溶出量は、通常、凝固溶剤の温度が高いほど速くなるので、温度によっても、上記多孔質構造の細孔の大きさや深さなどが適宜制御される。
さらに、凝固溶剤にあらかじめ非プロトン系極性溶剤を混合しておくことにより、ポリイミド前駆体塗膜からの非プロトン系極性溶剤の溶出量が調整されるので、これによっても、上記多孔質構造の細孔の大きさや深さなどを適宜制御してもよい。
PI樹脂層形成工程においては、まず、非プロトン系極性溶剤を除去する目的で、乾燥を行うことが好ましい。乾燥条件は、20〜120℃の温度で、10〜60分以下で行うのが好ましい。筒状体の内部に温風を送ることも効果的である。乾燥温度は、段階的に又は一定速度で上昇させてもよい。
また、表面に多孔質構造を有する樹脂層(シート状の摺動部材)の他の製造方法としては、例えば、樹脂材料塗布液を用いてバルク状の樹脂層を形成する工程(以下、「バルク状の樹脂層形成工程」という)、及び、前記バルク状の樹脂層表面に、発泡剤を含む樹脂材料塗布液を用いて多孔質の樹脂層(以下、「多孔質の樹脂層形成工程」という)を形成する工程を行う方法も好適である。
バルク状の樹脂層形成工程では、上記(1)の方法における、PI析出工程で溶剤置換速度調節材を用いない以外は、同様の工程で、バルク状の樹脂層(ポリイミド樹脂層)を形成する。ここで、「バルク状」とは、多孔質構造を有する樹脂層と区別するための文言であり、多孔質構造を有さない樹脂層を意味する。なお、場合によっては、PI析出工程は行わなくてよい。
多孔質の樹脂層形成工程では、上記(1)の方法におけるポリイミド前駆体溶液中に、発泡剤を添加し、さらに、ポリイミド析出工程で溶剤置換速度調節材を用いない以外は同様の工程でバルク状の樹脂層(ポリイミド樹脂層)を形成する。多孔質の樹脂層は、樹脂材料(ポリイミド前駆体)と共に発泡剤を用い、加熱硬化処理(熱イミド化処理)することで、容易に形成する。なお、場合によっては、PI析出工程は行わなくてよい。
摺動部材124の表面に凹凸を形成することにより、摺動部材124とベルトの内面との接触点が減ることにより、摺動部材124とベルト102の内面との摺動抵抗が低減される。
潤滑剤としては、耐熱性があり、動粘度240mm2/s以上330mm2/s以下(JIS−Z8803)のオイルで構成される潤滑剤が好ましい。市販品としては、例えば信越化学工業社製「X−22−9446オイル」が挙げられる。
動粘度が330mm2/s以下の潤滑剤を使用することにより、潤滑剤のせん断力が抑制され、摩擦力が低減する。また、潤滑剤の膜厚が抑制され、流動性が確保されて潤滑剤の固着(いわゆる焦げ付き)の発生が効果的に抑制される。一方、動粘度が240mm2/s以上の潤滑剤を使用することにより、潤滑剤のせん断力に対する耐久性が得られ、潤滑剤が留まり易く、摩擦抵抗が効果的に低減する。また、低粘度潤滑剤において生じやすい泡の発生を効果的に抑制し、熱伝導の低下が抑制される。
定着ベルト102の外側で用紙を搬送する部分には、定着ベルト102に圧力を加える加圧部材(加圧ロール)104が配置されている。加圧ロール104は、定着ベルト102を押圧パッド116に向けて加圧するとともに、モータ及びギアからなる駆動機構(不図示)により矢印E方向に回転する。
図2は、図1に示す定着装置を備えた画像形成装置(プリンタ)の構成の一例を概略的に示している。このプリンタ10は、本体を構成する筐体12内に、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、及び ブラック(K)の各トナーに対応した光ビームを出射する光走査装置14Y,14M,14C,14Kが固定されている。また、光走査装置14Kに隣接する位置に、プリンタ10の各部の動作を制御する制御部70が設けられている。
まず、図示しない画像読取装置やパーソナルコンピュータ等から出力される画像データが、図示しない画像処理装置によって所定の画像処理を施される。画像処理装置では、入力された反射率データに対して、シェーディング補正、位置ズレ補正、明度/色空間変換、ガンマ補正、枠消しや色編集、移動編集等の各種画像編集等の所定の画像処理が施される。画像処理が施された画像データは、Y、M、C、Kの4色の色材階調データに変換され、光走査装置14Y,14M,14C,14Kに出力される。
このように定着装置100に搬送された記録用紙P上の未定着のトナー画像は、定着装置100によって記録用紙Pに定着される。定着後の記録用紙Pは、矢印C方向に排出され、用紙集積トレイ64に排出される。
例えば、加熱補助部材の位置は、定着ベルト102に対して熱伝導を行えれば限定されず、例えばハロゲンヒータ等の発熱源を定着ベルト102の内側に設け、加熱補助部材118をベルト102の内側に配置するように構成してもよいし、加熱補助部材118をベルト102の外側に配置するように構成してもよい。加熱補助部材118をベルト102の外側に配置するように構成した場合は、加熱補助部材とベルト102の外周面との間に多孔質構造の摺動部材が介在するように加熱補助部材に固定すればよい。
また、画像形成装置10の感光体や現像器の配置、数等は限定されず、例えば、感光体及び現像器をそれぞれ1つ備えた画像形成装置でもよい。
また、固体の現像剤を用いる乾式の電子写真方式だけでなく、液体現像剤を用いるものであってもよい。
14 光走査装置(露光部)
18 感光体(像保持体)
22 現像器(現像部)
42 二次転写部(転写部)
60 搬送ベルト(搬送部)
100 定着装置
102 ベルト部材(定着ベルト)
104 加圧ロール(加圧部材)
110 励磁コイル(発熱源)
112 磁路形成部材
118 蓄熱部材(加熱補助部材)
124 摺動部材
128 ネジ
P 記録用紙(記録媒体)
T トナー(現像剤)
Claims (7)
- 回転する無端状のベルト部材と、
前記ベルト部材の内側又は外側に配置された発熱源と、
前記ベルト部材に対して熱伝導を行う加熱補助部材と、
少なくとも表面から内部にかけて多孔質構造を有し、下記群(1)から選択される材料からなり、前記ベルト部材と接触するように前記加熱補助部材に固定され、前記ベルト部材との間に当該多孔質構造によって潤滑剤を保持する摺動部材と、
前記ベルト部材に対して圧力を加える加圧部材と、を有し、
未定着の画像が形成された記録媒体を前記ベルト部材と前記加圧部材との間に通過させることにより、前記画像を前記記録媒体に定着させる定着装置。
−群(1)−
ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルケトン、ポリサルフォン、ポリイミド、ポリイミドアミド、ポリアミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリエーテルエーテルケトン、およびポリテトラフルオロエチレン - 前記摺動部材が、ポリイミド樹脂により形成されている請求項1に記載の定着装置。
- 前記加熱補助部材が、電磁誘導加熱体又は抵抗発熱体を含む請求項1又は請求項2に記載の定着装置。
- 前記多孔質構造における細孔の大きさ(口径)が0.01μm以上100μm以下である請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の定着装置。
- 前記摺動部材が前記加熱補助部材の前記ベルト部材と相対する面全体を覆うように固定されている請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の定着装置。
- 前記摺動部材の前記ベルト部材との摺動方向における先端及び後端が、前記加熱補助部材の末端に巻き付くように固定されている請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の定着装置。
- 請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の定着装置を備える画像形成装置。
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