JP5864814B2 - 定着装置およびこれを備える画像形成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、記録媒体にトナー像を定着させる定着装置およびこれを備える画像形成装置に関する。
複写機やプリンター等の電子写真方式の画像形成装置は、トナー像を用紙等の記録媒体に定着させる定着装置を備えている。一般的な定着装置は、芯金の外周に弾性層を形成する定着ローラーと、これに圧接する加圧ローラーと、定着ローラーの内部または外部に設けられる加熱装置と、を備えている。このような定着装置は、回転する各ローラー間に形成された定着ニップにトナー像を転写した用紙を通すことで、加熱され溶融したトナーを用紙に定着させるように構成されている。
一般的な定着装置では、定着ローラー(弾性層)の表面硬度は、加圧ローラーの表面硬度よりも低く(柔らかく)設定されている。近年、画像形成の高速化を目的として、加圧ローラーの押圧力が高く設定されている。柔らかい定着ローラー(弾性層)を大きく変形させることで定着ニップの距離を長くするためである。この場合、弾性層は軸方向にも大きく変形するため、芯金と弾性層との界面に応力が集中し、軸方向両端部において弾性層が芯金から剥離するという問題があった。
このような問題を解決するために、図4に示すように、弾性層104を介して芯金103の周囲に設けられた無端状ベルト105を有した定着ローラー101と、これに圧接してニップ部106を形成する加圧ローラー102と、を備え、定着ローラー101の弾性層104の両端部において無端状ベルト105に接する一部を切り欠いた段落ち部Gを有した定着装置100が提案されている(特許文献1参照)。この定着装置は、段落ち部Gとなる弾性層102の両端部が加圧ローラー104によって加圧されないため、芯金103と弾性層104との界面剥離を抑制するように構成されている。
特開2010−145958号公報
しかしながら、上記した定着装置100は、段落ち部Gとなる弾性層104の両端部では加圧ローラー102からの圧力を受けることができない。このため、段落ち部Gに臨む無端状ベルト105の両端部は、ニップ部106において弾性層104側に向けて屈曲した状態となる(図4参照)。各ローラー101,102の回転が進んで屈曲した無端状ベルト105がニップ部106を抜けると、屈曲した無端状ベルト105は、自身の弾性力によって元に戻る。したがって、無端状ベルト105の両端部は、各ローラー101,102の回転に伴って繰り返し折り曲げられるため、屈曲部分に亀裂が生じる虞があった。このため、定着ローラー101の寿命が短くなるという問題があった。
本発明は上記した課題を解決すべくなされたものであり、加圧ローラーからの圧力の増加に伴う定着ローラーの損傷を抑制可能な定着装置およびこれを備える画像形成装置を提供することを目的とする。
本発明の定着装置は、芯金の周りに設けられる弾性層の外周に熱源によって加熱される定着ベルトを有する定着ローラーと、前記定着ローラーに圧接し、トナー像を転写した記録媒体を通過させる定着ニップを形成するように設けられる加圧ローラーと、を備え、前記弾性層の軸方向両端面には、前記芯金と前記定着ベルトとから離間して周方向に沿って環状溝が凹設され、前記環状溝の底部は、前記加圧ローラーの軸方向両端面よりも内側に位置するように構成されている。
また、本発明の画像形成装置は、上記した定着装置を備える。
本発明によれば、芯金と弾性層との界面剥離を抑制すると共に、定着ベルトの破損を防止することができ、定着ローラーの高寿命化を図ることができる。
本発明の一実施形態に係るカラープリンターの内部構造の概略を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る定着装置を模式的に示す断面図である。 図2におけるIII−III断面図である。 従来の定着装置の一部を模式的に示す断面図である。
以下、本発明の実施形態について、添付した図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、便宜上、図1および図2に示す矢印Frをカラープリンターの正面側(前側)として規定する。
図1を参照して、画像形成装置としてのカラープリンター1の全体構成について説明する。ここで、図1はカラープリンター1の内部構造の概略を示す模式図である。
カラープリンター1は、主要な外観を成す装置本体2と、装置本体2の下部に設けられ、記録媒体としての用紙Pを収納する給紙カセット3と、装置本体2の上面に設けられる排紙トレイ4と、を備えている。なお、記録媒体は、紙製の用紙Pに限らず、樹脂フィルムやOHPシート等であってもよい。
カラープリンター1は、給紙カセット3にセットされた用紙Pを搬送経路10に供給する給紙部11と、中間転写ベルト12にトナー像を一次転写する画像形成部13と、一次転写されたトナー像を用紙Pに二次転写する二次転写ニップ部14と、二次転写されたトナー像を用紙Pに定着する定着装置15と、各装置を制御する制御装置16と、を装置本体2内に備えている。
画像形成部13は、4つのトナーコンテナ20に収納された4色(イエロー(Y),マゼンタ(M),シアン(C),ブラック(K))の補給用トナーを用いて画像形成を行うように構成されている。画像形成部13は、4つのドラムユニット21と、各感光体ドラム24の表面にレーザー光(図1に示す矢印P参照)を照射する露光器22と、含んで構成されている。
4つのドラムユニット21は、中間転写ベルト12の下側に前後方向に並設されている。各ドラムユニット21は、回転可能に支持される像担持体としての感光体ドラム24と、感光体ドラム24の周囲に転写プロセス順に配置される帯電器25と、現像器26と、一次転写ローラー27と、クリーニングユニット28と、を含んで構成されている。
ここで、カラープリンター1による画像形成処理について説明する。カラープリンター1に電源が投入されると、制御装置16は、定着装置15の温度設定等の各種パラメーターを初期化する。カラープリンター1に接続されたパーソナルコンピューター等から印刷開始の指示や画像データの入力がなされると、制御装置16は、以下のように画像形成動作を実行する。
まず、各帯電器25によって所定電位に帯電した各感光体ドラム24の表面に対し、各露光器22によって画像データに対応した露光が行われる。これにより、各感光体ドラム24に形成された静電潜像は、各トナーコンテナ20から各現像器26に供給された各色のトナーによりトナー像に現像される。各一次転写ローラー27にバイアスが印加されると、各色のトナー像が、順次、中間転写ベルト12に一次転写され、中間転写ベルト12上にフルカラーのトナー像が形成される。一方、給紙部11によって給紙カセット3から供給された用紙Pは、搬送経路10を通って二次転写ニップ部14まで搬送される。そして、二次転写ニップ部14にバイアスが印加されると、フルカラーのトナー像は用紙Pに二次転写される。この用紙Pは、定着装置15で定着処理された後、排紙トレイ4上に排出される。なお、各感光体ドラム24上に残留したトナーは、クリーニングユニット28によって除去される。
図2および図3を参照して、定着装置15について説明する。図2は定着装置15を模式的に示す断面図である。図3は、図2におけるIII−III断面図である。
図2に示すように、定着装置15は、定着ローラー30と、加圧ローラー31と、IH(Induction Heating)定着ユニット32と、を含んで構成されている。
図2および図3に示すように、定着ローラー30は、左右方向(軸方向)に長い円柱状に形成されている。定着ローラー30は、定着側芯金33の外周に設けられる定着側弾性層34と、定着側弾性層34の外周に設けられる定着ベルト35と、を有している。なお、定着ベルト35は、定着側芯金33および定着側弾性層34の回転に伴って回転する。
定着側芯金33は、例えば、ステンレスやアルミニウム等の金属材料によって、中空円筒状に形成されている。定着側芯金33の左右両端部は、装置本体2に設けられる一対の軸受(図示せず)に回転可能に支持されている。定着側芯金33の左右両端部は、段部33aを有して小径に形成されている(図3参照)。
図3に示すように、定着側芯金33の左右両端部には、それぞれ、径方向外側に向けて延出する寄り止めフランジ36が配置されている。各寄り止めフランジ36は、円環状に形成されている。各寄り止めフランジ36は、段部33aに当接するまで定着側芯金33の端面から軸方向内側に向けて挿入され、ストップリング37を定着側芯金33の端部に嵌合させることで抜け止め状態で設けられる。各寄り止めフランジ36は、定着側芯金33に対して相対回転可能に取り付けられている。
定着側弾性層34は、左右一対の段部33aの間において、定着側芯金33の外周に設けられている。詳細には、定着側弾性層34の軸方向(左右方向)長さL1は、左右一対の段部33a(寄り止めフランジ36)の間の距離D1よりも僅かに短く構成されている。定着側弾性層34は、例えば、厚さ10mmのシリコンスポンジ等の耐熱性および弾性を有する材料によって形成されている。なお、上記した定着側弾性層34の厚さは一例であり、適宜変更してもよい。
定着ベルト35は、定着側弾性層34の外周に設けられている。詳細には、定着ベルト35の軸方向(左右方向)長さL2は、左右一対の段部33a(寄り止めフランジ36)の間の距離D1よりも僅かに短く、且つ、定着側弾性層34の軸方向長さL1よりも僅かに長く構成されている。
図2に示すように、定着ベルト35は、例えば、基材40に周設されるベルト側弾性層41と、ベルト側弾性層41を被覆するベルト側離型層42と、によって構成されている。
基材40は、例えば、厚さ30μm〜40μmのニッケル等の金属材料によって形成されている。ベルト側弾性層41は、例えば、厚さ200μm〜300μmのシリコンゴム等の耐熱性および弾性を有する材料によって形成されている。ベルト側離型層42は、例えば、厚さ30μmmのPFAチューブによって形成されている。なお、上記した基材40、ベルト側弾性層41およびベルト側離型層42の厚さは一例であり、それぞれ適宜変更してもよい。
図2および図3に示すように、加圧ローラー31は、左右方向に長い円柱状に形成されている。加圧ローラー31は、加圧側弾性層51を介して加圧側芯金50の周囲に設けられる加圧側離型層52を有している。
加圧側芯金50は、例えば、ステンレスやアルミニウム等の金属材料によって、中空円筒状に形成されている。加圧側芯金50の左右両端部は、装置本体2に設けられる一対の軸受(図示せず)に回転可能に支持されている。加圧側芯金50の左右両端部は、段部50aを有して小径に形成されている(図3参照)。
図3に示すように、加圧側弾性層51は、左右一対の段部50aの間において、加圧側芯金50の外周に設けられている。詳細には、加圧側弾性層51の軸方向(左右方向)長さL3は、左右一対の段部50aの間の距離と略同一であって、定着側弾性層34の軸方向長さL1よりも僅かに短く構成されている。加圧側弾性層51は、例えば、厚さ2.0mmのシリコンゴム等の耐熱性および弾性を有する材料によって形成されている。
加圧側離型層52は、加圧側弾性層51の外周に設けられている。加圧側離型層52の軸方向(左右方向)長さL4は、加圧側弾性層51の軸方向長さL3と略同一である。加圧側離型層52は、例えば、厚さ0.05mmのPFAチューブによって形成されている。なお、上記した加圧側弾性層51および加圧側離型層52の厚さは一例であり、それぞれ適宜変更してもよい。
上記した加圧ローラー31は、図示を省略する駆動機構(モーターおよびギア列等)によって回転駆動するように構成されている。定着ローラー30は、付勢手段(図示せず)の付勢力によって加圧ローラー31に押し付けられ、加圧ローラー31とは逆方向に従動回転するように構成されている。なお、定着ローラー30を回転駆動し、加圧ローラー31を従動回転するように構成してもよい。
図2および図3に示すように、加圧ローラー31は、定着ローラー30に圧接し、トナー像を転写した用紙Pを通過させる定着ニップNを形成するように設けられている。定着ニップNは、用紙Pの搬送経路10に沿って定着ローラー30と加圧ローラー31との間に形成されている。また、定着ローラー30の表面硬度(主に定着側弾性層34およびベルト側弾性層41の硬度)は、加圧ローラー31の表面硬度(主に加圧側弾性層51の硬度)よりも低く(柔らかく)設定されているため、定着ニップNでは、定着ローラー30が押し潰されている。つまり、定着ニップNでは、定着側弾性層34および定着ベルト35は、径方向に大きく変位する。
なお、定着ニップNでは、定着側弾性層34および定着ベルト35は、軸方向にも大きく変位する。しかしながら、当該軸方向の変位は、左右一対の寄り止めフランジ36によって規制されている。
定着ニップNの用紙Pの進入側には、進入ガイド53が配設されている。進入ガイド53は、加圧ローラー31側に配置され、搬送経路10を搬送される用紙Pを定着ニップNに導くように設けられている。また、定着ニップNの用紙Pの送出側には、分離板54が配設されている。分離板54は、付勢手段(図示せず)によって定着ベルト35側に付勢されている。分離板54の先端部は、定着ベルト35の外周面から僅かに離間して設けられている。定着ニップNを通過した用紙Pは、分離板54によって定着ベルト35から剥離されるようになっている。なお、図示は省略するが、定着ローラー30の近傍には、定着ベルト35の温度を検知する温度センサー(サーミスター)が設けられている。
図2に示すように、IH定着ユニット32は、定着ベルト35を加熱する熱源として、定着ローラー30を挟んで定着ニップNの反対側に設けられている。IH定着ユニット32は、定着ローラー30を覆う略半円筒状のボビン60と、ボビン60に支持されるIHコイル61と、IHコイル61を覆うように設けられるアーチコア62および一対のサイドコア63と、を備えている。
IHコイル61は、ボビン60を挟んで定着ベルト35の反対側に配置されている。すなわち、IH定着ユニット32は、所謂「外包IH」として構成されている。アーチコア62および一対のサイドコア63は、例えば、フェライトによって構成されている。各コア62,63は、IHコイル61から発生する磁束を通過させる磁路を形成するために設けられている。
カラープリンター1に設けられる制御装置16は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)等の記憶部およびインターフェース等(いずれも図示せず)を含んで構成されている。制御装置16は、定着装置15含むカラープリンター1の各装置等に接続されている。制御装置16は、記憶部に格納されたプログラムやデータに基づいて、カラープリンター1を統括制御するように構成されている。
ここで、定着装置15の作用について説明する。
制御装置16は、温度センサーの検出結果に基づいて、IH定着ユニット32(IHコイル61)を駆動制御する。詳細には、制御装置16は、コイル駆動部(図示せず)に駆動信号を送り、コイル駆動部は、IHコイル61に高周波電流を供給する。これにより、IHコイル61に発生する高周波磁界によって定着ベルト35が加熱される。また、制御装置16は、駆動機構を駆動制御して加圧ローラー31を回転させる。これにより、加圧ローラー31との間に定着ニップNを形成する定着ローラー30は従動回転する。
画像形成処理において、トナー像が転写された用紙Pは、定着ニップNを通過して定着処理を施される。詳細には、用紙Pは、定着ニップNを通過する際に、定着ローラー30(定着ベルト35)によって加熱されると共に、加圧ローラー31によって押圧される。これにより、用紙P上のトナーは、加熱および加圧されて用紙Pに定着される。
ところで、カラープリンター1では、画像形成処理の高速化が望まれているため、定着装置15の各ローラー30,31の回転速度も高速化している。このような高速化に対応するために、定着ローラー30に対する加圧ローラー31の押圧力が高く設定されている。これにより、柔らかい定着ローラー30が大きく変形し、定着ニップNの距離が長くなるため、適切なトナー定着を担保することができる。しかしながら、定着ニップNにおいて、定着ローラー30の定着側弾性層34が大きく押し潰されると、定着側芯金33と定着側弾性層34との界面剥離や、定着ベルト35の左右端部(軸方向端部)が折れ曲がり等の問題が生じる虞も考えられる。
このような問題に対応するため、本実施形態に係る定着装置15は、図3に示すように、定着側弾性層34の軸方向両端面S1から内側に向けて凹設される環状溝70を有している。各環状溝70は、定着側弾性層34の軸方向両端面S1において、定着側芯金33と定着ベルト35とから離間して周方向に沿って凹設されている。なお、各ローラー30,31の軸方向両端部は、それぞれ略同様の形状であるため、以下の説明では、一方の端部に着目することとする。
環状溝70は、定着側弾性層34の厚みの略中間部に形成されている。環状溝70は、定着側弾性層34の端面S1から内側に向けて略平行に凹み、環状溝70の底部71は、半円形断面を有している。つまり、環状溝70は、略U字状断面を有し、定着側弾性層34の端部は、環状溝70の存在によってアーチ状に形成されている。したがって、環状溝70の径方向内側および外側には、定着側弾性層34が所定の肉厚で定着側芯金33および定着ベルト35に接するように設けられている。以下、この定着側芯金33と定着ベルト35とに接する部分を「弾性支持部72」と呼ぶ。
環状溝70の底部71は、加圧ローラー31(加圧側弾性層51および加圧側離型層52)の軸方向端面S3よりも内側に位置するように構成されている。
上記したように、定着側弾性層34の軸方向長さL1は、定着ベルト35の軸方向長さL2よりも短く、且つ、加圧側弾性層51(加圧側離型層52)の軸方向長さL3(L4)よりも長くなるように構成されている。つまり、加圧側弾性層51(加圧側離型層52)、定着側弾性層34、定着ベルト35の順(L3(L4)<L1<L2)に軸方向長さが長くなるように形成されている。このため、定着ベルト35の端面S2は、加圧ローラー31の端面S3よりも外側に位置するように構成されている。また、定着側弾性層34の端面S1は、加圧ローラー31の端面S3よりも外側に位置すると共に、定着ベルト35の端面S2よりも内側に位置するように構成されている。したがって、径方向外側の弾性支持部72は、定着ベルト35の端部を支持し、加圧ローラー31からの押圧力を受けることができるように構成されている。なお、径方向内側の弾性支持部72は、定着側芯金33に接している。
なお、左右一対の環状溝70の底部71の間が、定着ニップNの有効加圧領域D2となっている。有効加圧領域D2は、画像形成可能な最大サイズの用紙Pに対して適切な定着処理を行うことができる長さに設定されている。
以上説明した実施形態に係る定着装置15によれば、定着側弾性層34の両端面S1には、定着側芯金33と定着ベルト35とに接触する部分(弾性支持部72)を残して、環状溝70が凹設されている。すなわち、定着ローラー30を軸方向から見ると、定着側芯金33、定着側弾性層34、環状溝70(によって形成される空間)、定着側弾性層34、定着ベルト35が積層されている。また、環状溝70は、加圧ローラー31の軸方向両端面S3よりも内側まで凹んでいる。このため、定着ローラー30の軸方向両端部に対して加圧ローラー31によって加えられる圧力は、環状溝70の存在によって、定着側芯金33と定着側弾性層34との界面に直接作用することがない。これにより、定着側芯金33と定着側弾性層34との界面における応力集中が抑制され、定着側芯金33と定着側弾性層34との界面剥離を抑制することができる。
また、定着ローラー30の軸方向両端部において、定着ベルト35の径方向内側に存在する定着側弾性層34が、加圧ローラー31によって加えられる圧力を受けることができる。特に、定着側弾性層34の軸方向両端面S1は、加圧ローラー31の軸方向両端面S3よりも外側に位置しているため、加圧ローラー31からの圧力を適切に受けることができる。これにより、定着ベルト35の両端部の屈曲が抑制され、繰り返して曲げ応力を受けることによる破損を抑制することができる。
なお、定着ニップNでは、軸方向に変位した定着側弾性層34が、定着ベルト35の基材40(ニッケル)の端部に接触して損傷することが考えられる。この点、本実施形態に係る定着装置15によれば、定着側弾性層34の軸方向両端面S1が、定着ベルト35の軸方向両端面S2よりも内側に位置しているため、定着側弾性層34の軸方向両端部が、軸方向に変位して定着ベルト35のエッジ(両端部)に接触することが防止される。これにより、定着側弾性層34の軸方向両端部が損傷することを有効に防止することができる。
さらに、本実施形態に係る定着装置15によれば、環状溝70の底部71が半円形断面を有しているため、定着側弾性層34の端部はアーチ状に形成されている。このため、加圧ローラー31から定着ベルト35を介して定着側弾性層34の端部に加えられる圧力を分散することができる。これにより、応力集中を抑制することができ、環状溝70を構成する定着側弾性層34の損傷を防止することができる。
また、以上説明した実施形態に係る定着装置15を備えるカラープリンター1によれば、定着ローラー30の軸方向両端部において定着側芯金33と定着側弾性層34との界面剥離を抑制することができると共に、定着ベルト35の軸方向両端部において曲げ応力を繰り返して受けることによる破損を抑制することができる。これにより、定着ローラー30の高寿命化を図ることができる。このため、定着装置15に対するメンテナンス頻度を削減することができると共に、定着ローラー30等の交換にかかるコストを低減することができる。
なお、定着側弾性層34の損傷防止のため環状溝70の底部71は半円形断面を有していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、定着側弾性層34の損傷防止が担保できるのであれば、環状溝70の底部71を矩形断面や三角形(V字状)断面となるように形成しても構わない。
なお、図示は省略するが、定着ベルト35は、定着ローラー30(定着側芯金33および定着側弾性層34)と、1つ以上の他のローラー(例えばテンションローラー)との間に架け渡されていてもよい。
なお、上記した本発明の実施形態の説明は、本発明に係る定着装置およびこれを備える画像形成装置における好適な実施の形態を説明しているため、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。さらに、上記した本発明の実施の形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、且つ、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能であり、上記した本発明の実施の形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

Claims (6)

  1. 芯金の周りに設けられる弾性層の外周に熱源によって加熱される定着ベルトを有する定着ローラーと、
    前記定着ローラーに圧接し、トナー像を転写した記録媒体を通過させる定着ニップを形成するように設けられる加圧ローラーと、を備え、
    前記弾性層の軸方向両端面には、前記芯金と前記定着ベルトとから離間して周方向に沿って環状溝が凹設され、
    前記環状溝の底部は、前記加圧ローラーの軸方向両端面よりも内側に位置するように構成されていることを特徴とする定着装置。
  2. 前記定着ベルトの軸方向両端面は、前記加圧ローラーの軸方向両端面よりも外側に位置するように構成され、
    前記弾性層の軸方向両端面は、前記加圧ローラーの軸方向両端面よりも外側に位置すると共に、前記定着ベルトの軸方向両端面よりも内側に位置するように構成されている、請求項1に記載の定着装置。
  3. 前記環状溝の底部は、半円形断面を有している、請求項1に記載の定着装置。
  4. 前記芯金の軸方向両端部には、それぞれ、径方向外側に向けて延出する寄り止めフランジが配置され、
    前記弾性層の軸方向長さは、一対の寄り止めフランジの間の距離よりも短く構成されている、請求項1に記載の定着装置。
  5. 前記定着ローラーの表面硬度は、前記加圧ローラーの表面硬度よりも低く設定されている、請求項1に記載の定着装置。
  6. 請求項1に記載の定着装置を備えることを特徴とする画像形成装置。
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