JP6155718B2 - 電子写真の定着装置、画像形成装置、定着方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真の定着装置、該定着装置を用いた画像形成装置及び定着方法に関する。

近年、画像形成に用いられる記録材の種類が増えており、特に定着済み画像につらら状の光沢ムラが現れ易い記録材や、特に記録材のジャムを発生し易い記録材への対応が求められている。現状では紙種に応じて紙の流れる速度、線速を変えて対応しているが、更に生産性の問題から、紙種によらず速度、線速を一定にすることが求められている。
また、公知の紙種対応技術として、特許文献１〜３には機械的な対応を行ったものが、特許文献４〜５には温度設定による対応を行ったものが、それぞれ開示されている。
このうち機械的な対応は、装置が大きくなる上に定着装置周りの熱容量が増加して立ち上がり時間が非常に大きくなるという問題がある。一方、温度設定による対応は、高温での薄紙のジャム発生の可能性が高まり、かつエネルギー効率も落ちてくる。またトナーの弾性が落ちるため、逆にホットオフセットが生じるという問題があり、定着不良や、特にカラー画像での光沢度低下が起きるという問題もある。

本発明は、定着設定温度を低くでき、且つ小さな温度設定の変更により紙種変化に対応できる電子写真の定着装置の提供を目的とする。

上記課題は、次の１）の発明によって解決される。
１） 定着用回転体と加圧ローラが固定距離で配置され、前記定着用回転体が、空隙及び炭素繊維を含む弾性体からなる層を有する電子写真の定着装置において、前記炭素繊維として定着時の温度上昇では変形しないものを使用することにより、定着時に前記空隙中の気体の膨張に伴い前記炭素繊維同士の接触性が向上するという作用効果を利用し、紙種に対応した温度設定の変更によりニップの圧力の制御が行われるように設定されていることを特徴とする電子写真の定着装置。

本発明によれば、定着設定温度を低くでき、且つ小さな温度設定の変更により紙種変化に対応できる電子写真の定着装置を提供できる。即ち、簡単な構成で、小さな温度変化により、ニップの形状とニップの圧力を変えて紙種対応を行うことができる。

本発明の定着装置の一例の説明図。 図１の定着装置の○印で示した部分におけるニップの幅が増加した排紙側の状態の拡大説明図。 空隙を有し且つピッチ系炭素繊維を含む弾性体の構成の説明図。 本発明の定着装置を備えた画像形成装置の一例の説明図。 画像形成装置における紙種設定装置と温度上昇、定着についての制御フローチャートの一例を示す図。

以下、上記本発明１）について詳しく説明するが、本発明の実施の形態には、次の２）〜６）も含まれるので、これらについても併せて説明する。
２） 前記定着用回転体の基体が、耐熱性樹脂フィルム又は金属のベルトであることを特徴とする１）に記載の電子写真の定着装置。
３） 前記定着用回転体が、その最表面の離型層として、フッ素樹脂よりなる層を有することを特徴とする１）又は２）に記載の電子写真の定着装置。
４） 前記定着用回転体の内側に加熱部材を有することを特徴とする１）〜３）のいずれかに記載の電子写真の定着装置。
５） １）〜４）のいずれかに記載の電子写真の定着装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
６） １）〜４）のいずれかに記載の電子写真の定着装置を使用し、紙種設定装置からの値に対し、予め用意したテーブルの温度を対応させて設定し、その温度になったことを確認した後に定着を開始することを特徴とする電子写真の定着方法。

本発明の定着装置では、設定温度の上昇に応じて、次の（１）〜（６）の効果が得られる。
（１）ニップ部の距離が固定されているため、加熱部材の温度が上昇して弾性体の空隙中の気体が膨張すると、ニップ中の圧力が上昇し、定着性が向上する。
（２）剛性部材で挟持されている定着用回転体が、その弾性体からなる層の膨張に伴ってニップ部の外側で通紙方向の前後に膨張し、結果的にニップの幅を増加させるので、定着性向上に寄与する。
（３）弾性体が定着時の温度上昇では変形しない炭素繊維を含むので圧力により炭素繊維同士の接触性が向上し熱拡散率が向上する。この熱拡散率向上も定着性向上に寄与する。
即ち、従来の定着装置の場合は、熱によるトナーへの熱量上昇効果のみであるのに対し、本発明の定着装置の場合には、上記３つの効果の相乗効果が生じる。その結果、あまり熱効率を落とさなくても厚紙薄紙対応が可能となり、線速及び生産性が一定の画像形成装置を提供することができる。
（４）ニップの幅の増加、及びニップ内の圧力上昇により、紙種の変更に対して小さな温度変化で定着可能となる。
（５）前記弾性体を用いることにより、熱伝導率が高くなり、より低温で定着できるようになる。
（６）紙種設定装置による細かい設定により低い定着設定温度で定着できる。

また、請求項２〜６は次の（７）〜（１１）のような特徴及び効果を有する。
（７）定着用回転体は、紙に効率よく密着する必要があるため曲がり易いことが重要であり、且つ耐熱性を必要とするが、請求項２の耐熱性樹脂フィルムや金属のベルトは、これらの特性を満たすので好適である。
（８）請求項３のように、定着用回転体の最表面の離型層にフッ素樹脂を用いると、トナーがベルト側に移っていくことを防止できる。
（９）請求項４のように、定着用回転体を内側から加熱することにより、外から定着部材を加熱する方式に比べてヒータの熱を効率よく使用できる。
（１０）請求項５によれば、紙種対応において、小さな温度変化で対応できるため、早い切り替えができ、より省エネで紙種対応の広い画像形成装置を提供できる。
（１１）請求項６によれば、紙種判定により必要とする温度にすぐ切り替えることができると共に、厚紙の後にすぐに薄紙を通した場合でも温度の上がり過ぎによるジャムを予防できる。

次に、図面を参照しながら本発明の定着装置、定着用回転体及び画像形成装置について説明する。図１は、本発明の定着装置の一例を示す説明図であり、ニップの幅の増加による高熱伝導性の原理を示す。図２は、図１の定着装置の○印で示した部分におけるニップの幅が増加した排紙側の状態の拡大説明図である。なお、給紙側でも同様の状態になる。
図１におけるニップ保持用ステーと加圧ローラ芯金間は、その距離が固定されている。この固定距離は設計仕様であって、ある力を掛けたときに所望のニップ幅になるように設計されている。例えばニップ幅を小さくする場合には柔らかめのゴムを選んだり剛体部材間の距離を縮めたりする。定着用回転体の厚みは１５０〜６００μｍが好ましい。そこで例えば定着用回転体の厚みが２００μｍ、定着用回転体及び加圧ローラの直径が３０ｍｍの場合、加圧ローラの芯金の中心と、ニップ形成部材の定着用回転体との接触面の距離は１４．５ｍｍ程度とする。

図１において温度が上昇した場合、定着用回転体の弾性体からなる層の空隙中の気体が膨張する。即ち従来の空隙のない固体シリコーンゴム等の弾性体を有する定着用回転体に比べて、圧倒的に温度に対する体積膨張率が大きい。その結果、固定されたニップ部での圧力が上昇し、かつ図２に示されるように、定着用回転体が、その弾性体からなる層の膨張に伴って膨張し、ニップの加圧ローラ側に変形する。そして結果的にニップの幅が増加する。従来の空隙のない固体シリコーンゴム等の弾性体では、温度上昇により「Ａ．トナーの軟化性向上効果」のみが得られるが、本発明では、「Ａ．トナーの軟化性向上効果」「Ｂ．圧力上昇効果」「Ｃ．ニップの幅の増加効果」の３つの効果が得られる。

図３に、空隙を有し且つピッチ系炭素繊維を含む弾性体の構成を示す。この弾性体は、加熱部材を設けた側に使用されることを想定している。空隙となる気泡部分は「Ｂ．圧力上昇効果」「Ｃ．ニップの幅の増加効果」に寄与する。更に炭素繊維を効率よく接触させることによりヒータ側から外側方向（ニップにおいては加圧ローラ側）へ熱を伝え易くすることができる。この構成により、前記３つの効果に加えて「Ｄ．圧力上昇によるニップ内での炭素繊維の接触性の向上効果」が得られる。これは、炭素繊維が剛直で変形できないのに対し、気泡とゴムは容易に変形可能であることによる。その結果、剛直な炭素繊維同士が接触し熱伝導率が向上する。炭素繊維は非常に熱伝導率が高いため、材料全体の熱伝導率は、その接触性に大きく依存する。本発明に係る弾性体では、圧力上昇による接触性向上に伴い熱伝導率が大きくなる。

ピッチ系炭素繊維は、ピッチプリカーサー（コールタール又は石油重質分を原料として得られるピッチ繊維）を炭素化して得られるものであり、製法の諸条件により低弾性率から超高弾性率・高強度の広範囲の性質のものが市販されている。超高弾性率品は、優れた熱伝導率や導電性特性も有する。市販品の具体例としては日本グラファイトファイバー社製の炭素繊維ミルド：ＸＮ−１００−０５Ｍなどが挙げられる。その熱伝導率は、５００Ｗ／ｍＫとされている。これに対し、ＰＡＮ系の炭素繊維の熱伝導率は、最大で５０Ｗ／ｍＫである。更に、ピッチ系炭素繊維を篩、気流等で分級し、繊維の短いものを用いることも有効である。

図４は、本発明の定着装置を備えた画像形成装置を示す図である。図示していない紙種設定装置により画像を形成する紙についての情報を設定する。設定についての詳細は後述する図５において説明する。
画像形成装置では、感光体を帯電させ、次に書き込み系で光学的又は電気的に静電画像を形成し、次にトナーにより現像を行う。次いで紙に転写し、その転写像の乗った紙を、例えば、図１の定着装置に通して定着させて画像を形成する。

図５は、画像形成装置における紙種設定装置と温度上昇、定着についての制御フローチャートの一例を示す図である。画像形成装置における紙種設定装置は、種々のものを用いることができるが、一番単純なものは、使用する紙を入れておく各トレーについて、紙の情報をコントロールパネル等により設定しておくものである。例えば、トレー１は薄紙、トレー２は普通紙、トレー３は中厚紙、トレー４は厚紙等と指定しておく。これが内蔵トレーの紙種設定である。
次に、１．ユーザーが紙を選定するか、又は、２．の自動選択でトレーを選ぶことにより、紙情報を持った状態で紙の選択を行うことができる。
次のステップでは、並行処理的に画像の読み取り（コピーの場合）、と対応する紙に対する設定データを検索する。例えば、トレー１の薄紙に対応する紙種対応テーブルを検索し、その情報を用いて、前記テーブルのデータからの設定温度、及び、これと現在の定着器の温度により、ヒータ出力を制御して定着を行い、画像出力を行う。
本発明では、前述したように「Ｂ．の圧力上昇効果」「Ｃ．ニップ幅の増加効果」があるため、このようなフローが有効である。

本発明で用いる空隙形成用の既発泡粒子は特に限定されず、市販品の中から適宜選択すればよいが、例えば松本油化製薬社製の１００ＣＡ、８０ＣＡ、Ｆ−８０ＥＤ、Ｆ−３０Ｅ、Ｆ−５０Ｅ、Ｆ−８０ＳＤＥ、ＦＮ−８０ＳＤＥ等が挙げられる。
弾性体の材料としてはシリコーンゴムが好ましく、市販品としてＤＹ３５−２０８３（東レ・ダウ コーニング社）、ＫＥ１９５０−３０（信越化学工業社）等が挙げられる。
また、本発明で用いるフッ素樹脂としては、焼成による溶融成膜性のよい、比較的融点の低いもの（好ましくは２５０〜３００℃）が好ましい。具体的には、低分子量ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフロオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアアルキアルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）の微粉末が挙げられる。また、チューブ状のものを用いてもよい。

以下、実施例及び比較例を示して本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

実施例１〜３、比較例１〜３
＜定着ベルト（定着用回転体）の作製（１）＞
松本油化製薬社製の既発泡粒子：Ｆ−８０ＳＤＥ（直径３０μｍ程度）と、日本グラファイトファイバー社製のピッチ系炭素繊維ミルド：ＸＮ−１００−０５Ｍ（長さ５０μｍ程度）を、未硬化付加型液状シリコーンゴムの中に分散した液を作製した。シリコーンゴムは、東レ・ダウコーニング社製のＤＹ３５−２０８３を用いた。
次いで、ニッケル電鋳により作製した厚さ４０μｍのニッケル薄肉ベルト上に上記分散液を厚さ２００μｍとなるように塗布して１次硬化させた。更に２次硬化させた後、その外側にＰＦＡ樹脂チューブ（グンゼ社製のＧＦチューブ）を接着して、外径がφ３０ｍｍの定着ベルトを作製した。配合等を表１に示す。

実施例４、比較例４
＜定着ベルト（定着用回転体）の作製（２）＞
基体のニッケル薄肉ベルトを、厚さ４０μｍのポリイミドフィルム（グンゼ社製）に変えた点以外は、実施例２及び比較例２と同様にして、実施例４及び比較例４の定着ベルトを作製した。

＜評価法＞
上記実施例及び比較例の各定着ベルトを、リコー社製の複写機ｉｍａｇｉｏ ＭＰ Ｃ２２０１の定着ユニットにセットした。通常、該定着ユニットは、バネによりニップ圧を印加するようにできているが、ここでは、室温状態のバネ位置で加圧ローラを固定した。その結果、剛性部材により、空隙を有し且つピッチ系炭素繊維を含む弾性体からなる層を有する定着ベルトが挟持される形態が形成された。このユニットを、線速（紙の通る速度）を変えることができ、かつ、ヒータの温度設定変更が可能な定着試験機にセットして、下記の試験を行った。結果を纏めて表２〜表５に示すが、定着性評価以外のデータは共通である。なお、各実施例及び比較例欄の右側の数値が圧力比である。

（定着性評価）
定着性試験の原稿として、紙先端からＭＳ明朝の４ポイント文字と６ポイント文字をそれぞれ１００字程度順に形成させ、ｉｍａｇｉｏ ＭＰ Ｃ２２０１からモノクロ未定着画像としてＡ４のリコーＰＰＣ用紙：タイプ６０００＜７０Ｗ＞普通紙（連量７０ｋｇ）に出力した。上記未定着画像は、紙の先端部分１ｍｍの部分から文字を作成した。これは連量の小さい紙ではジャムし易い条件である。
また、ＰＰＣ用紙：タイプ６０００＜９０Ｗ＞（連量９０ｋｇ）、タイプ６０００＜５８Ｗ＞（連量５８ｋｇ）のモノクロ未定着画像も同様に出力した。
これらの未定着画像を、定着試験機のヒータの温度設定を変えて線速１９０ｍｍ／ｓで通紙し、通紙後のトナーが正常に定着されているかどうかを確認した。そしてサンプルを目視及び拡大鏡により、次の基準で評価した。
〔評価基準〕
×：定着不良（定着ベルトにトナーが付着し、ベルトの周長と同じ長さ分だけ進ん
だ紙部分にトナーが定着ベルトから紙に転写される事象が観察される。）
○：定着不良が見られない。
＝：ジャムが発生したもの。

（ニップ幅測定）
住友スリーエム社製のＯＨＰフィルム：ＣＧ３７００を用いて、ニップ幅を測定した。定着試験機を１５０℃の設定温度に３０分間保持し、ＯＨＰフィルムを通し、ＯＨＰフィルムが真ん中まで通った時点でベルト回転を止めて１５秒間保持し、また回転させてＯＨＰフィルムを排出させた。ＯＨＰフィルムの、ベルト回転を止めた時点でのニップ位置に相当する部分が白濁するため、中央の白濁部分幅をニップ幅とした。

（温度上昇時の圧力測定）
温度上昇時の圧力上昇を、レスカ社製のタッキング試験機（Ｍｏｄｅｌ：ＴＡＣ−１０００）を用いて位置固定モードで測定した。この装置はプローブタック装置である。また、プローブ（ステンレス製）先端φ１０ｍｍと下のサンプル固定台（ステンレス製）が、接触部分の表面近くで熱電対による温度測定ができ独立に温度調整可能である。
まず、定着ベルトのサンプルをφ１０ｍｍに打ち抜いた後、ＰＦＡ面を外側にして、プローブ先端に耐熱性接着剤で接着した。次に、室温でプローブを降ろし、一定圧に達したところでプローブ位置を固定した。プローブ側にロードセルがあるので荷重が測定できる。また、プローブの先端面積から応力への換算を行った。更に、サンプル固定台の温度を上昇させて測定したい温度まで上げ、この状態での圧力を測定した。そして、各温度での初期応力（２５℃）に対する圧力比を算出した。

紙種：タイプ６０００＜７０Ｗ＞（連量７０ｋｇ）の場合

紙種：タイプ６０００＜９０Ｗ＞（連量９０ｋｇ）の場合

紙種：タイプ６０００＜５８Ｗ＞（連量５８ｋｇ）の場合

紙種：タイプ６０００＜７０Ｗ＞（連量７０ｋｇ）の場合

上記表２〜表４の結果から分かるように、タイプ６０００＜７０Ｗ＞の場合、実施例１〜３では、比較例１の通常のシリコーンゴムを用いた場合に比べて、同じトナー、未定着画像に対し、最大で３０℃の定着温度の低下をもたらすことができる。また、タイプ６０００＜９０Ｗ＞の場合も同様に、実施例１〜３では、あまり温度を上げずに定着できる。これらの紙種に対するデータから、温度設定を変えて定着性を変化させることになるが、比較例では温度を高くする必要があり、また、解が無い（対応できない）場合もある。
更に、タイプ６０００＜５８Ｗ＞の場合、実施例１〜３ではジャムが発生していない。これは、図２のニップ増加分で示したように、通紙する際、定着ベルトの弾性体からなる層の膨張に伴って、定着ベルトの排紙側がニップの外側に変形し、定着部分の分離部分が小径になることによる。
また、上記表５の結果から分かるように、基体をポリイミドフィルムに変えた場合でも同様に、実施例４の方が比較例４に比べて低い温度で定着できる。

更に、表３（タイプ６０００＜９０Ｗ＞）と表４（タイプ６０００＜５８Ｗ＞）の実施例１〜３の結果から分かるように、タイプ６０００＜９０Ｗ＞の場合でも、タイプ６０００＜５８Ｗ＞の場合に比べて温度を１０℃高くするだけで定着できる。そして１３５℃の温度設定で全ての紙に対応できる。
これに対し、比較例１では連量９０ｋｇの紙には定着できない。即ち、小さな設定温度の変更のみでは対応できず、線速を落とす等の他の操作を行なう必要がある。
また、比較例２〜３では、実施例よりも定着温度が２０℃〜２５℃高い上に、タイプ６０００＜９０Ｗ＞とタイプ６０００＜５８Ｗ＞との定着可能温度の差は１５℃であり、実施例よりも５℃大きくなっている。

特開２０１０−０２０１２９号公報 特開２０１１−１０００５０号公報 特許第３９５９５５６号公報 特開２０１１−２５７５４６号公報 特開昭６１−１８７５１号公報

Claims (6)

1. 定着用回転体と加圧ローラが固定距離で配置され、前記定着用回転体が、空隙及び炭素繊維を含む弾性体からなる層を有する電子写真の定着装置において、前記炭素繊維として定着時の温度上昇では変形しないものを使用することにより、定着時に前記空隙中の気体の膨張に伴い前記炭素繊維同士の接触性が向上するという作用効果を利用し、紙種に対応した温度設定の変更によりニップの圧力の制御が行われるように設定されていることを特徴とする電子写真の定着装置。
2. 前記定着用回転体の基体が、耐熱性樹脂フィルム又は金属のベルトであることを特徴とする請求項１に記載の電子写真の定着装置。
3. 前記定着用回転体が、その最表面の離型層として、フッ素樹脂よりなる層を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電子写真の定着装置。
4. 前記定着用回転体の内側に加熱部材を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電子写真の定着装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の電子写真の定着装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載の電子写真の定着装置を使用し、紙種設定装置からの値に対し、予め用意したテーブルの温度を対応させて設定し、その温度になったことを確認した後に定着を開始することを特徴とする電子写真の定着方法。