JP5867775B2 - 定着装置及びそれを備えた画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は定着装置及びそれを備えた画像形成装置に関し、より詳細には、定着ローラと加圧ローラとが直接又はベルトを介して圧接して形成されるニップ部に被転写材を通過させることによって、未定着トナー画像を加熱・加圧して被転写材に溶融定着させる定着装置及びそれを備えた画像形成装置に関するものである。

電子写真方式の画像形成装置では、感光体表面に形成された静電潜像にトナーを付着させて現像し、現像されたトナー画像を用紙などの被転写材に転写させた後、定着装置によってトナー画像を被転写材に定着させる。これまでから広く使用されている定着装置は、圧接した一対のローラのニップ部に被転写材を通過させて加熱及び加圧を行い、トナー画像を被転写材に溶融定着させるものである。

近年、定着可能温度に達するまでの時間（立ち上がり時間）の短縮化や省エネルギー化、装置の軽量化などを図るため、定着ローラや加圧ローラの芯金を薄肉の円筒状として熱容量を小さくすることが行われている。

ところが、芯金を薄肉の円筒状にすると、剛性が低下して軸方向に撓み等が生じ定着不良が起こることがある。

そこで、例えば特許文献１では、円筒状の芯金の内周面に軸方向及び周方向に延びる複数本のリブを形成し、高剛性を確保しながら芯金を薄肉化する技術が提案されている。

特開2003-5556号公報

しかしながら、前記提案技術でも芯金の剛性は未だ充分ではなく、定着ローラと加圧ローラとの圧接力が高い場合にはローラ変形が生じて、ニップ部の回転方向の長さ（以下、「ニップ幅」と記すことがある）が変化することがある。ニップ幅が変化すると、例えば、被転写材に定着されたトナー画像の光沢性が変化し画質が低下する。

本発明はこのような従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、剛性の低下を招くことなく立ち上がり時間の短縮化、省エネルギー化及び軽量化が図れ、優れた定着性を有する定着装置を提供することにある。

本発明によれば、定着ローラと、定着ローラに直接又はベルトを介して圧接しニップ部を形成する加圧ローラと、定着ローラを加熱する加熱手段とを有し、未定着トナー画像が形成された被転写材を前記ニップ部に通すことによって、前記トナー画像を被転写材に溶融定着させる定着装置であって、前記定着ローラ及び前記加圧ローラの少なくとも一方が、第１円筒部と、第１円筒部に同軸状に内装された第２円筒部と、第１円筒部の内周面と第２円筒部の外周面とを接続する螺旋状の突条部とを有する芯金を備えていることを特徴とする定着装置が提供される。

ここで、前記突条部は、少なくとも被転写材の通過領域と対応する領域に設けられているのが好ましい。

また、前記突条部は周方向に等間隔で複数本形成するのが好ましく、前記芯金の軸方向一方端から他方端までの前記突条部のねじれ角度は３６０°／Ｎ（但し、Ｎは突条部の本数）以上とするのが好ましい。

さらに本発明によれば、前記のいずれか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が提供される。

本発明の定着装置及び画像形成装置では、定着ローラ及び加圧ローラの少なくとも一方が、第１円筒部と、第１円筒部に同軸状に内装された第２円筒部と、第１円筒部の内周面と第２円筒部の外周面とを接続する螺旋状の突条部とを有する芯金を備える構成としたので、前記芯金を備えたローラは、周方向のすべての位置において軸方向の少なくとも１箇所は突条部及び第２円筒部によって第１円筒部が支えられるようになる。これにより、前記ローラの剛性の低下を抑えながら、定着装置の立ち上がり時間の短縮化、省エネルギー化及び軽量化が図れる。加えて、周方向におけるニップ幅の変化が小さくなり、トナー画像の光沢性などのムラが抑制され画質が向上する。

本発明に係る画像形成装置の一例を示す概説図。 本発明に係る定着装置の一例を示す概説図。 加圧ローラに用いる芯金の断面図。 第１円筒部を除いた芯金の斜視図。 芯金の変形を説明するための断面図。 軸方向に平行で直線状の突条部を有する芯金の斜視図。 加圧ローラの周方向角度に対するニップ幅の変化を示す図。

以下、本発明に係る定着装置及び画像形成装置について図に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施形態に何ら限定されるものではない。

図１は、本発明の画像形成装置及び定着装置の一実施形態を示す概説図である。図１の画像形成装置Ｄは所謂タンデム方式のカラープリンタである。もちろん、プリンタのほか、さらにスキャナを有する複写機、ファクシミリ又はそれらの機能を複合的に備えた複合機等にも本発明を適用することができる。また、画像形成方式としてはタンデム方式に限定されるものではなく、他の方式、例えば、回転軸の周囲に４つの現像装置を配置し、これらを順次静電潜像担持体に対向させてフルカラー画像を作成する所謂４サイクル方式、あるいは一つの現像装置でモノクロ画像を作成するモノクロ方式であっても構わない。

画像形成装置Ｄは、導電性を有する無端状の中間転写ベルト３３を有する。中間転写ベルト３３は、図の左右両側にそれぞれ配置された一対のローラ３１，３２に掛架されている。ローラ３２は不図示のモータに連結されており、モータの駆動によってローラ３２は反時計回りに回転し、これによって中間転写ベルト３３とこれに接するローラ３１は従動回転する。ローラ３２に支持されているベルト部分の外側には、二次転写ローラ３４が圧接している。この二次転写ローラ３４と中間転写ベルト３３とのニップ部（二次転写領域）において中間転写ベルト３３上に形成されたトナー像が、搬送されてきた用紙Ｐに転写される。

また、ローラ３１に支持されているベルト部分の外側には、中間転写ベルト３３の表面をクリーニングするクリーニング部材３５が設けられている。このクリーニング部材３５は中間転写ベルト３３を介してローラ３１に圧接しており、その接触部で未転写トナーを回収する。

ローラ３１とローラ３２とに掛架された中間転写ベルト３３の下側には、中間転写ベルト３３の回転方向上流側から順に、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の４つの作像部２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｋ（以下、「作像部２」と総称することがある）が配置されている。これらの作像部２では、各色の現像剤をそれぞれ用いて対応する色のトナー像が作成される。

作像部２は、静電潜像担持体として円筒状の感光体２０を有する。そして、感光体２０の周囲には、その回転方向（時計回り方向）に沿って順に、帯電器２１、現像装置２３、一次転写ローラ２４、および感光体クリーニング部材２５が配置されている。一次転写ローラ２４は中間転写ベルト３３を挟んで感光体２０に圧接し、ニップ部（一次転写領域）を形成している。また、作像部２の下方には露光装置２２が配置されている。

この図に示す実施形態では、帯電器２１としてローラ帯電方式のものを用いているが、帯電器２１の種類は特に限定されるものでなく、コロナ放電方式の帯電チャージャ、ブレード状の帯電部材、ブラシ状の帯電部材等を用いてももちろん構わない。また、この実施形態では、感光体クリーニング部材２５として板状ブレードを用い、その一端側を感光体２０の外周面に接触させて、感光体２０の表面に残留するトナーを回収除去しているが、感光体クリーニング部材２５は板状ブレードに限られるものでなく、例えば、固定ブラシ、回転ブラシ、ローラ、及びそれら複数の部材を組み合わせたものを使用することもできる。なお、感光体クリーニング部材２５は必ずしも設ける必要はなく、感光体２０上の未転写トナーの回収を現像装置２３によって行うクリーナレス方式を採用することもできる。

中間転写ベルト３３の上方には、各色の現像装置２３に補給するトナーを収容したホッパー４Ｙ，４Ｍ，４Ｃ，４Ｋ（以下、「ホッパー４」と総称することがある）がそれぞれ配置されている。また、露光装置２２の下部には、給紙装置として給紙カセット５０が着脱可能に配置されている。給紙カセット５０内に積載収容された用紙（被転写材）Ｐは、給紙カセット５０の近傍に配置された給紙ローラ５１の回転によって最上紙から順に１枚ずつ搬送路に送り出される。給紙カセット５０から送り出された用紙Ｐは、レジストローラ対５２に搬送され、ここで所定のタイミングで二次転写領域に送り出される。

画像形成装置Ｄは、１色のトナー（例えばブラック）を用いてモノクロ画像を形成するモノクロモードと、４色のトナーを用いてカラー画像を形成するカラーモードとに切り替え可能となっている。

カラーモードにおける画像形成動作例について簡単に説明すると、まず、各作像部２において、所定の周速度で回転駆動される感光体２０の外周面が帯電器２１により帯電される。次に、帯電された感光体２０の表面に、画像情報に応じた光が露光装置２２から投射されて静電潜像が形成される。続いて、この静電潜像は、現像装置２３から供給される現像剤としてのトナーにより顕在化される。このようにして感光体２０の表面に形成された各色のトナー像は、感光体２０の回転によって一次転写領域に達すると、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの順で、感光体２０から中間転写ベルト３３上へ転写（一次転写）されて重ねられる。

中間転写ベルト３３に転写されることなく感光体２０上に残留した未転写トナーは、感光体クリーニング部材２５で掻き取られ、感光体２０の外周面から除去される。

重ね合わされた４色のトナー像は、中間転写ベルト３３によって二次転写領域に搬送される。一方、そのタイミングに合わせて、レジストローラ対５２から二次転写領域に用紙Ｐが搬送される。そして、４色のトナー像が、二次転写領域において中間転写ベルト３３から用紙Ｐに転写（二次転写）される。４色のトナー像が転写された用紙Ｐは、定着装置１へ搬送される。定着装置１において用紙Ｐは、定着ローラ１１と加圧ローラ１２とのニップ部を通過する。この間に用紙Ｐは加熱・加圧され、用紙Ｐ上のトナー像は用紙Ｐに溶融定着する。なお、定着装置１の具体的な構成については後述する。トナー像が定着した用紙Ｐは排出ローラ対５３によって排紙トレイ５４に排出される。

一方、二次転写領域を通過した中間転写ベルト３３は、クリーニングブレード３５で清掃される。その後、各感光体２０及び中間転写ベルト３３の回転駆動が停止される。

図２に、図１の画像形成装置Ｄに搭載されている定着装置１の概略構成図を示す。この定着装置１では、加熱ローラ（加熱手段）１３と定着ローラ１１との間に定着ベルト１４が掛架され、加圧ローラ１２が定着ベルト１４を介して定着ローラ１１に圧接している。そして、定着ベルト１４と加圧ローラ１２とのニップ部Ｎの下流側には、定着ベルト１４に接するように分離爪１６が揺動自在に軸支されている。定着ローラ１１は、不図示の回転駆動手段によって反時計回りに回転し、これによって定着ベルト１４及び加圧ローラ１２、加熱ローラ１３はそれぞれ従動して回転する。なお、回転駆動手段を定着ローラ１１ではなく、加熱ローラ１３又は加圧ローラ１２に設けて駆動回転させ、他のローラを従動回転させるようにしてもよい。

加熱ローラ１３には、加熱ローラ１３の長手方向の中央部を加熱する加熱ヒータ１５Ａと、加熱ローラ１３の両端部を加熱する加熱ヒータ１５Ｂとが内蔵されている。また加熱ローラ１３の外周部に設置された不図示のセンサーによって加熱ローラ１３の表面温度が検知され加熱ヒータ１５Ａ，１５Ｂが入切制御される。これにより、加熱ローラ１３の表面は所定温度に維持される。もちろん、定着ベルト１４の温度をセンサーで検知して加熱ヒーター１５Ａ，１５Ｂを入切制御しても構わない。

定着ローラ１１は円筒状の芯金１１１からなる。芯金１１１の材質に特に限定はないが、アルミニウムや鉄などの金属材料が好ましい。また、芯金の厚さは、０．１〜５ｍｍの範囲が好ましく、軽量化及びウォームアップ時間の短縮化等を考慮すると０．２〜１．５ｍｍの範囲がより好ましい。また、表面の離型性を向上させるために、芯金１１１の表面に、ＰＦＡやＰＴＦＥ、ＥＴＦＥ等のフッ素系材料からなるチューブを被着する、あるいは前記フッ素系材料でコーティング層を形成して表層としてもよい。表層の厚さは５〜１００μｍの範囲が好ましく、水との接触角は９０度以上が好ましい。さらに、表面粗さは０．０１〜５０μｍの範囲が好ましい。また、ニップ部Ｎの幅を大きくするために、芯金１１１と表層との間に、弾性層をさらに設けてもよい。弾性層の材質としては、弾性と耐熱性を有するものが望ましく、例えば、シリコーンゴムやフッ素ゴムなどが挙げられる。弾性層の厚さに特に限定はないが、通常は、０．０５〜２ｍｍの範囲が好ましい。

加圧ローラ１２は、芯金１２１の表面に、シリコーンゴムからなる弾性層１２２が形成され、その表面に表層としてのＰＦＡチューブ（不図示）が被着されてなる。弾性層１２２の材質としては、弾性と耐熱性を有するものが望ましく、例えば、シリコーンゴムやフッ素ゴムなどが挙げられる。弾性層１２２の厚さに特に限定はないが、通常は、０．０５〜２ｍｍの範囲が好ましい。芯金１２１については後述する。

このような構成の定着装置１において、搬送されてきた用紙Ｐは、未定着のトナー像ｔが載った面が定着ベルト１４側になるように、定着ベルト１４と加圧ローラ１２とによって形成されたニップ部Ｎを通過する。ニップ部Ｎを通過する間に、トナー像ｔに対して加熱及び加圧がなされ、トナー像ｔは溶融して用紙Ｐに定着する。そして、分離爪１６によって定着ベルト１４から用紙Ｐは分離され排紙トレイ５４（図１に図示）へ排出される。

図３に、加圧ローラ１２に用いられている芯金１２１の断面図、図４に、第１円筒部１２１ａを取り去った芯金１２１の斜視図をそれぞれ示す。図３に示すように、芯金１２１は、第１円筒部１２１ａと、第１円筒部１２１ａに同軸状に内装された第２円筒部１２１ｂと、第１円筒部１２１ａの内周面と第２円筒部１２１ｂの外周面とを接続する、周方向に等間隔で形成された３本の突条部１２１ｃとを有する。

図４に示すように、周方向に等間隔に形成された３本の突条部１２１ｃは螺旋状をなし、芯金１２１の一方端から他方端までの突条部１２１ｃのねじり角度は１２０°とされている。これにより、芯金１２１の周方向のいずれの位置であっても、軸方向のいずれかの位置に第１筒状部１２１ａと突条部１２１ｃとの接続部が存在することになり、第１筒状部１２１ａの変形が効果的に抑制される。前記ねじり角度は１２０°以上であってももちろん構わない。ねじり角度を大きくするほど、第１筒状部１２１ａと突条部１２１ｃとの接続部が軸方向において多く存在することになり、第１円筒部１２１ａの変形がより抑制される。なお、突条部１２１ｃの形成数に限定はなく、１本であってもよいし２本以上であってもよい。また、突条部１２１ｃの本数をＮ本とした場合、突条部１２１ｃの芯金１２１の一方端から他方端までのねじれ角度は、（３６０°／Ｎ）以上とするのが望ましい。さらに、螺旋状の突条部１２１ｃは、少なくとも被転写材が通過する領域と対応する領域に設けるのが望ましい。

図２に示したように、定着ローラ１１と加圧ローラ１２とは定着ベルト１４を介して圧接してニップ部Ｎを形成する。このため、加圧ローラ１２にはニップ部Ｎにおいて半径方向内方に外力が加わる。この外力によって加圧ローラ１２の弾性層１２２のみならず芯金１２１も変形する。芯金１２１が変形すると、ニップ幅が変化して定着性が影響を受ける。図５を用いて、外力が加わる位置と、芯金１２１の変形について説明する。

図５において、芯金１２１の位置Ｐ１に外力が加わった場合、位置Ｐ１の半径方向内方には突条部１２１ｃが設けられているので、第１円筒部１２１ａの変形は最も小さい。次に、芯金１２１の位置Ｐ２に外力が加わった場合、位置Ｐ２の半径方向内方に突条部１２１ｃが設けられておらず、また中心軸Ｏを挟んで対向する位置にも突条部１２１ｃが設けられていないので、第１円筒部１２１ａの変形は最も大きくなる。次いで、芯金１２１の位置Ｐ３に外力が加わった場合、位置Ｐ３の半径方向内方には突条部１２１ｃ１が設けられていないが、中心軸Ｏを挟んで対向する位置に突条部１２１ｃが設けられているので、第１円筒部１２１ａの変形は位置Ｐ１よりは大きく位置Ｐ２よりは小さくなる。そして、芯金１２１の位置Ｐ４に外力が加わった場合、位置Ｐ２と同様に、半径方向内方に突条部１２１ｃが設けられておらず、また中心軸Ｏを挟んで対向する位置にも突条部１２１ｃが設けられていないので、第１円筒部１２１ａの変形は最も大きくなる。芯金１２１のこのような変形によってニップ幅が変化する。具体的には、芯金１２１の変形が大きいほど、ニップ幅は短くなる。

図６に示すように、芯金１２１における突条部１２１ｄが軸方向に平行で直線状であった場合、加圧ローラ１２の周方向角度とニップ幅との関係は図７の破線に示すような振幅の大きなものとなる。ニップ幅の変化が大きいと、均一な定着が行われず加圧ローラ１２の回転周期で光沢ムラなどが現れる。これに対し、本発明の定着装置では、芯金１２１の突条部１２１ｃを螺旋状としたので、芯金１２１の周方向のいずれの位置であっても、軸方向のいずれかの位置に第１筒状部１２１ａと突条部１２１ｃとの接続部が存在することになり、第１筒状部１２１ａの変形が効果的に抑制される。この結果、図７の実線で示すように、ニップ幅の変動は小さく抑えられ、安定した定着性が得られるようになる。

以上説明した実施形態では、第１円筒部１２１ａ、第２円筒部１２１ｂ、螺旋状の突条部１２１ｃとを有する芯金１２１を加圧ローラ１２の芯金として用いていたが、定着ローラ１１の芯金１１１として用いてももちろん構わない。また、定着装置の構造を、定着ベルトを用いずに、定着ローラ１１と加圧ローラ１２とを直接圧接させた構造としてもよい。この場合、定着ローラ１１を加熱する加熱手段は、定着ローラ１１の内側に設けてもよいし、定着ローラ１１の外周部に設けてもよい。加熱手段としてはハロゲンヒータや電磁誘導手段など従来公知の手段を用いることができる。

本発明の定着装置によれば、定着ローラ及び加圧ローラの少なくとも一方のローラの剛性の低下を抑えながら、定着装置の立ち上がり時間の短縮化、省エネルギー化及び軽量化が図れる。加えて、周方向におけるニップ幅の変化を小さくでき、トナー画像の光沢性などのムラを抑制でき有用である。

１ 定着装置
Ｐ 用紙（被転写材）
Ｎ ニップ部
ｔ トナー画像
１１ 定着ローラ
１２ 加圧ローラ
１３ 加熱ローラ（加熱手段）
１４ 定着ベルト
１５Ａ，１５Ｂ 加熱ヒータ（加熱手段）
１２１ 芯金
１２１ａ 第１円筒部
１２１ｂ 第２円筒部
１２１ｃ 突条部

Claims (4)

1. 定着ローラと、定着ローラに直接又はベルトを介して圧接しニップ部を形成する加圧ローラと、定着ローラを加熱する加熱手段とを有し、未定着トナー画像が形成された被転写材を前記ニップ部に通すことによって、前記トナー画像を被転写材に溶融定着させる定着装置において、
   前記定着ローラ及び前記加圧ローラの少なくとも一方が、第１円筒部と、第１円筒部に同軸状に内装された第２円筒部と、第１円筒部の内周面と第２円筒部の外周面とを接続する螺旋状の突条部とを有する芯金を備えていることを特徴とする定着装置。
2. 前記突条部が、少なくとも被転写材の通過領域と対応する領域に設けられている請求項１記載の定着装置。
3. 前記突条部が周方向に等間隔で複数本形成され、前記芯金の軸方向一方端から他方端までの前記複数の突条部のねじれ角度が３６０°／Ｎ（但し、Ｎは突条部の本数）以上である請求項１又は２記載の定着装置。
4. 定着装置として、請求項１〜３のいずれかに記載の定着装置を用いることを特徴とする画像形成装置。