JP6579366B2 - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像を記録媒体に定着させる定着装置、及び当該定着装置を備える画像形成装置に関する。

プリンタや複写機等の電子写真方式の画像形成装置においては、トナー像が形成された用紙等の記録媒体を、互いに接触する２つの回転体間のニップ部に通過させることで、トナー像を記録媒体に定着させる定着装置が用いられている。

基本的に、記録媒体上のトナー（トナー像）は、一方又は双方の回転体から与えられる熱によって溶融することで記録媒体上に定着される。しかしながら、熱量不足、熱量過多、あるいは電気的な作用によって、全てのトナーが記録媒体に定着せずに、僅かながら回転体の一方又は双方に付着して残ってしまうことがある。このようなトナーが回転体上で固着すると、その部分において回転体に対するトナーの離型性（記録媒体に対するトナーの定着性）が低下する。その結果、それ以後の定着処理において、トナーが固着した部分でトナー像が記録媒体に定着されず、反対に回転体に付着することで、回転体の回転に伴って回転体上のトナー像が周長ピッチで記録媒体上に転写されるオフセット画像が発生する。

また、近年使用される記録媒体には、炭酸カルシウム等の填料が多く含まれているものがあり、このような記録媒体を用いた場合は、填料が回転体へ付着しやすいことから、填料を起点としてトナーやその成分が膜状に付着する、いわゆるフィルミングが発生しやすい。このため、特にこのような記録媒体を用いた場合は、回転体に対するトナーの離型性の低下が顕著となる傾向にある。

上記のような問題に対し、例えば、特許文献１（特開２００２−４０８６０号公報）では、転写材が定着ニップに到達する前に、定着部材と加圧部材との表面間で移動速度差をつける方法が提案されている。

また、別の方法として、特許文献２（特開２００９−３７０７８号公報）では、加圧部材の表面に付着したトナーを除去するクリーニングウェブ及びクリーニングローラを設置する方法が提案されている。

上記特許文献１に記載の方法では、定着部材と加圧部材との表面間で移動速度差をつけることで、加圧部材の表面に固着しているトナーを定着部材に転移させて除去することができるとしている。しかしながら、定着部材と加圧部材との間の速度差によって得られるトナー除去力（剥離力）は、例えば紙粉（トナー填料等）を多く含んだ固着トナーの除去には不十分であった。また、この方法では、トナーの除去を転写材が定着ニップに到達する前に行うため、転写材が定着ニップを通過中はトナーの除去ができないといった制約がある。

一方、上記特許文献２に記載の方法では、クリーニングウェブ及びクリーニングローラを設置するため、コストアップや装置サイズが大型化するといった問題があった。さらに、クリーニングローラで回収したトナーが蓄積し凝固することで異音が発生したり、クリーニングローラに所定量以上蓄積されたトナーが溶け出すことで記録媒体を汚したりするといった問題もあった。

上記課題を解決するため、本発明は、互いに接触してニップ部を形成する２つの回転体を備え、前記ニップ部に、画像が形成された記録媒体を通過させて画像の定着を行う定着装置において、前記回転体は、少なくとも前記ニップ部において、外径が軸方向の中央部側から端部側に向かって曲線状に増加又は減少するように形成され、前記回転体同士の間で、周方向成分の大きさが１５Ｎ以上で２５Ｎ以下となる剪断力を発生させた状態で、前記ニップ部に記録媒体を通過させることを特徴とするものである。

本発明によれば、回転体同士の間で、周方向成分の大きさが１５Ｎ以上で２５Ｎ以下となる剪断力を発生させた状態で、ニップ部に記録媒体を通過させることで、記録媒体と各回転体との間で付着物除去力（剪断力）を十分に生じせることができる。これにより、回転体の表面に付着する付着物を記録媒体に転移させ、確実に除去することができるようになる。しかも、記録媒体にシワが発生しにくく、良好な画像を得ることができる。さらに、本発明によれば、少なくともニップ部において、回転体の外径が軸方向の中央部側から端部側に向かって曲線状に増加又は減少するように形成されていることで、軸方向に渡って大きさの異なる剪断力を発生させることができる。これにより、これらの剪断力間の差によって、より効果的に付着物を除去することが可能となる。また、本発明によれば、付着物を記録媒体に転移させて除去することができるので、回転体上の付着物を除去するクリーニング手段を別途設置する必要もない。また、ニップ部に記録媒体が通過するたびに付着物除去効果が発揮されるため、頻繁に付着物の除去を行うことができ、回転体に対する付着物の堆積を効果的に抑制することができる。

本発明の実施の一形態に係る画像形成装置の概略構成を示す図である。 本実施形態に係る定着装置の概略構成を示す図である。 本実施形態に係る定着装置の駆動系の概略構成を示す図である。 （ａ）（ｂ）は、定着ローラ上の固着トナーの有無によるオフセット画像の発生状態を示す図である。 定着ローラと加圧ローラとの間に生じる剪断力を示す図である。 （ａ）（ｂ）は加圧ローラを支持する滑り軸受の例を示す図である。 定着ローラから固着トナーが除去される様子を示す図である。 加圧ローラから固着トナーが除去される様子を示す図である。 剪断力の周方向成分の大きさと固着トナーに起因する不良画像の発生率との関係を示す図である。 本実施形態に係る定着ローラの外周形状を示す図である。 定着ローラの外周の一部を拡大して示す図である。 定着ローラに対して加圧ローラを接触させて加圧した状態を示す図である。 トルク測定装置の概略構成を示す図である。 他の実施形態に係る定着ローラの外周形状を示す図である。 定着ローラの外周の一部を拡大して示す図である。 定着ローラに対して加圧ローラを接触させて加圧した状態を示す図である。 別の実施形態に係る定着ローラの外周形状を示す図である。 さらに別の実施形態に係る定着ローラの外周形状を示す図である。 本発明を適用可能な他の定着装置の概略構成を示す図である。 本発明を適用可能な別の定着装置の概略構成を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、ニップ形成部材の形状のバリエーションを示す図である。 （ａ）（ｂ）は、クリーニング手段を設けた実施形態を示す図である。 比較例に係る定着ローラの外周形状を示す図である。

以下、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の実施の形態を説明するための各図面において、同一の機能もしくは形状を有する部材や構成部品等の構成要素については、判別が可能な限り同一符号を付すことにより一度説明した後ではその説明を省略する。

（画像形成装置としてのカラープリンタの概略構成）
図１に示すように、本実施形態の画像形成装置１はタンデム型カラープリンタである。画像形成装置本体の上方にあるボトル収容部１０１には、各色（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）に対応した４つのトナーボトル１０２Ｙ、１０２Ｍ、１０２Ｃ、１０２Ｋが着脱自在（交換自在）に設置されている。

ボトル収容部１０１の下方には中間転写ユニット８５が配設されている。当該中間転写ユニット８５の中間転写ベルト７８に対向するように、各色（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）に対応した作像部４Ｙ、４Ｍ、４Ｃ、４Ｋが並設されている。各作像部４Ｙ、４Ｍ、４Ｃ、４Ｋには、それぞれ、感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋが配設されている。

また、各感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋの周囲には、それぞれ、帯電部７５、現像部７６、クリーニング部７７、除電部等が配設されている。そして、各感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋ上で、作像プロセス（帯電工程、露光工程、現像工程、転写工程、クリーニング工程）が行われて、各感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋ上に各色の画像が形成される。感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋは、駆動モータによって図１における時計回りに回転駆動される。

そして、帯電部７５の位置で、感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋの表面が一様に帯電される（帯電工程である。）。その後、感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋの表面は、露光部３から発せられたレーザ光Ｌの照射位置に達して、この位置での露光走査によって各色に対応した静電潜像が形成される（露光工程である。）。

その後、感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋの表面は、現像部７６との対向位置に達して、この位置で静電潜像が現像されて、各色のトナー像が形成される（現像工程である。）。その後、感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋの表面は、中間転写ベルト７８及び１次転写バイアスローラ７９Ｙ、７９Ｍ、７９Ｃ、７９Ｋとの対向位置に達して、この位置で感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋ上のトナー像が中間転写ベルト７８上に転写される（１次転写工程である。）。

このとき、感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋ上には、僅かながら未転写トナーが残存する。その後、感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋの表面は、クリーニング部７７との対向位置に達する。この位置で感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋ上に残存した未転写トナーがクリーニング部７７のクリーニングブレードによって機械的に回収される（クリーニング工程である。）。

最後に、感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋの表面は、除電部との対向位置に達して、この位置で感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋ上の残留電位が除去される。こうして、感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋ上で行われる一連の作像プロセスが終了する。

その後、現像工程を経て各感光体ドラム上に形成した各色のトナー像を、中間転写ベルト７８上に重ねて転写する。こうして、中間転写ベルト７８上にカラー画像が形成される。

ここで、中間転写ユニット８５は、中間転写ベルト７８、４つの１次転写バイアスローラ７９Ｙ、７９Ｍ、７９Ｃ、７９Ｋ、２次転写バックアップローラ８２、クリーニングバックアップローラ８３、テンションローラ８４、中間転写クリーニング部８０、等で構成される。

中間転写ベルト７８は、３つのローラ８２〜８４によって張架・支持されるとともに、１つのローラ８２の回転駆動によって図１における反時計回りに無端移動される。４つの１次転写バイアスローラ７９Ｙ、７９Ｍ、７９Ｃ、７９Ｋは、それぞれ、中間転写ベルト７８を感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋとの間に挟み込んで１次転写ニップを形成している。

そして、１次転写バイアスローラ７９Ｙ、７９Ｍ、７９Ｃ、７９Ｋに、トナーの極性とは逆の転写バイアスが印加される。そして、中間転写ベルト７８は、矢印方向に走行して、各１次転写バイアスローラ７９Ｙ、７９Ｍ、７９Ｃ、７９Ｋの１次転写ニップを順次通過する。こうして、感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋ上の各色のトナー像が、中間転写ベルト７８上に重ねて１次転写される。

その後、各色のトナー像が重ねて転写された中間転写ベルト７８は、２次転写ローラ８９との対向位置に達する。この位置では、２次転写バックアップローラ８２が、２次転写ローラ８９との間に中間転写ベルト７８を挟み込んで２次転写ニップを形成している。そして、中間転写ベルト７８上に形成された４色のトナー像は、この２次転写ニップの位置に搬送された記録媒体Ｐ上に転写される。

このとき、中間転写ベルト７８には、記録媒体Ｐに転写されなかった未転写トナーが残存する。その後、中間転写ベルト７８は、中間転写クリーニング部８０の位置に達する。そして、この位置で、中間転写ベルト７８上の未転写トナーが回収される。

こうして、中間転写ベルト７８上で行われる一連の転写プロセスが終了する。以上が画像形成部の構成及び作用の説明である。ここで、２次転写ニップの位置に搬送された記録媒体Ｐは、装置本体の下方に配設された給紙部１２から、給紙ローラ９７やタイミングローラ対９８等を経由して搬送されたものである。

詳しくは、給紙部１２には、転写紙等の記録媒体Ｐが複数枚重ねて収納されている。そして、給紙ローラ９７が図１における反時計回りに回転駆動されると、一番上の記録媒体Ｐがタイミングローラ対９８のローラ間に向けて給送される。タイミングローラ対９８に搬送された記録媒体Ｐは、回転駆動を停止したタイミングローラ対９８のローラニップの位置で一旦停止する。

そして、中間転写ベルト７８上のカラー画像にタイミングを合わせて、タイミングローラ対９８が回転駆動されて、記録媒体Ｐが２次転写ニップに向けて搬送される。こうして、記録媒体Ｐ上に、所望のカラー画像が転写される。

その後、２次転写ニップの位置でカラー画像が転写された記録媒体Ｐは、定着装置２０の位置に搬送される。そして、この位置で、定着回転体としての定着ローラ２１及び加圧回転体としての加圧ローラ３１による熱と圧力とにより、中間転写ベルト７８の表面に転写されたカラー画像が記録媒体Ｐ上に定着される。

その後、記録媒体Ｐは、排紙ローラ対９９のローラ間を経て装置外へと排出される。排紙ローラ対９９によって装置外に排出された記録媒体Ｐは、出力画像として、スタック部１００上に順次スタックされる。こうして、画像形成装置１における一連の画像形成プロセスが完了する。

（定着装置の構成）
次に、前述した定着装置２０の基本構成について説明する。
図２に示すように、定着装置２０は２つの回転体、すなわち、互いに接触してニップ部Ｎを形成する定着ローラ２１と加圧ローラ３１を有する。定着ローラ２１の内部には、定着ローラ２１を加熱する加熱手段としてのハロゲンヒータ２４が配設されている。また、定着ローラ２１と加圧ローラ３１は、モータ等の回転駆動手段によって、図の矢印の方向に回転可能に構成されている。

図３に示すように、本実施形態では、定着ローラ２１の一端部に周方向に連続してギア部２１ａが設けられており、このギア部２１ａに、モータ等の回転駆動手段４０に設けられた駆動ギア４１が噛み合って連結されている。このため、回転駆動手段４０が駆動すると、ギア部２１ａを介して駆動力が定着ローラ２１に付与され、定着ローラ２１が回転駆動する。一方、加圧ローラ３１は、軸受によって回転可能に支持されており、定着ローラ２１が回転駆動することにより、これと一緒に従動回転する。

定着ローラ２１は、熱伝導性基体の周囲を離型性を有する被覆層で被覆された円筒状部材である。熱伝導性基体としては、所要の機械的強度を有し、熱伝導性の良好な炭素鋼材やアルミニウム材が主として用いられる。外側（外周面）の被覆層は、トナーとの離型性を良好とし、熱伝導率が高く耐久性に富む材料で形成される。例えば、フッ素樹脂（ＰＦＡ）チューブで被覆したものやフッ素樹脂（ＰＦＡ又はＰＴＦＥ）塗料を塗布したもの、あるいはシリコーンゴム層やフッ素ゴム層を形成したもの等が被覆層として用いられる。

加圧ローラ３１は、芯金と、当該芯金の外側（外周）に形成された弾性層と、当該弾性層を被覆する被覆層とからなる円筒状部材である。芯金として、例えばＳＴＫＭ等が用いられ、弾性層としては、シリコーンゴムやフッ素ゴム、あるいはこれらの発泡体が用いられる。被覆層は例えば離型性に富むＰＦＡ，ＰＴＦＡ等の耐熱性フッ素樹脂のチューブで形成される。この加圧ローラ３１は、バネ等を使用した付勢機構により定着ローラ２１に向けて付勢されている。

ニップ部Ｎよりも記録媒体搬送方向の下流側（図２の上側）には、先端が尖った爪状の分離部材２３が定着ローラ２１に対向して配設されている。本実施形態では、分離部材２３は定着ローラ２１の軸方向に渡って４個配置されている。ただし、分離部材２３の個数は複数であればよく、４個に限定されない。

分離部材２３の素材としては、主にＰＦＡやＰＥＫ、ＰＥＥＫ等の離型性や摺動性の良い材料を用いられる。また、分離部材２３の表面をＰＦＡやテフロン（登録商標）等の離型性や摺動性の良い材料でコーティングしてもよい。

各分離部材２３には当接方向付勢手段が配設されている。当該当接方向付勢手段としては例えば引張りコイルバネを使用することができるが、設置スペースや製造コストなどの諸条件に応じて、その他の付勢手段を当接方向付勢手段として使用することも可能である。この当接方向付勢手段によって、各分離部材２３は定着ローラ２１に対して当接させる方向に付勢されている。

また、定着ローラ２１の周囲には温度検知手段としてのサーミスタ２５や、異常温度防止用のサーモスタット等が配設されている。そして当該サーミスタ２５からの検出信号により、定着ローラ２１の表面温度が所定の温度域内に維持されるように制御されている。

（定着装置のクリーニング）
通常、図４（ａ）のように定着ローラ２１上に汚れの原因としての固着トナー２０３｛同図（ｂ）参照｝がない状態で未定着状態の画像パターン２０１がニップ部Ｎを通過した場合は、十分に定着性が確保されるため、オフセット画像は発生しない。しかしながら、図４（ｂ）のように定着ローラ２１上に固着トナー２０３が固着している場合は、当該固着箇所の定着性が低下する。このため、固着トナー２０３上を通過した未定着トナーは記録媒体Ｐに十分定着せず、定着ローラ２１の周長ピッチで記録媒体Ｐ上にオフセット画像２０２が発生するいわゆる定着不良となる。

そこで、上記本発明の実施形態に係る定着装置２０においては、上記のような固着トナーに起因する定着不良を防止するため、以下のような対策を講じている。

上述のように、本実施形態において、加圧ローラ３１は、定着ローラ２１が回転駆動することにより従動回転するが、加圧ローラ３１の回転軸と軸受との間で生じる摩擦力によって少なからず回転負荷がかかる。このため、図５に示すように、回転駆動する定着ローラ２１と従動回転する加圧ローラ３１との間には、図の矢印に示すような剪断力Ｆが発生する。

このように、定着ローラ２１と加圧ローラ３１との間には剪断力Ｆが生じるが、本発明においては、この剪断力Ｆの周方向（ローラ回転方向）成分の大きさを、１５Ｎ以上で２５Ｎ以下となるように設定している。本実施形態では、剪断力Ｆの周方向成分が前記範囲内の大きさとなるように、加圧ローラ３１を支持する軸受として、転がり軸受よりも回転負荷の生じやすい滑り軸受を用いている。

一般的に、滑り軸受は、図６（ａ）に示すようなＵ字型の滑り軸受４２や、同図（ｂ）に示すような円筒状の滑り軸受４２があるが、いずれを用いてもよい。また、滑り軸受４２の材料としては、ＴＦＥ｛フッ素樹脂（四フッ化エチレン）｝、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等を用いるのが好ましい。

上記のように、定着ローラ２１と加圧ローラ３１との間で周方向成分の大きさが１５Ｎ以上２５Ｎとなる剪断力Ｆを生じさせた状態で、ニップ部Ｎに記録媒体Ｐを通過させることで、定着ローラ２１又は加圧ローラ３１の表面に付着している固着トナーを記録媒体Ｐによって擦り取ることができる。

例えば、図７（ａ）に示すように、定着ローラ２１の表面に固着トナー２０３がある場合は、ニップ部Ｎに記録媒体Ｐを通過させることで、同図（ｂ）に示すように、定着ローラ２１の表面と記録媒体Ｐとの間で生じる剪断力Ｆ１によって、固着トナー２０３が擦り取られる。そして、図７（ｃ）に示すように、擦り取られた固着トナー２０３は、記録媒体Ｐ上に転移され、記録媒体Ｐと一緒に装置外へ排出される。なお、記録媒体Ｐ上に転移される固着トナーはごく微量であるので、画質を低下させるほどのものとはならない。

また、図８（ａ）に示すように、加圧ローラ３１の表面に固着トナー２０３がある場合は、ニップ部Ｎに記録媒体Ｐを通過させることで、同図（ｂ）に示すように、加圧ローラ３１の表面と記録媒体Ｐとの間で生じる剪断力Ｆ２によって、固着トナー２０３が擦り取られる。そして、図８（ｃ）に示すように、擦り取られた固着トナー２０３は、記録媒体Ｐ上に転移され、記録媒体Ｐと一緒に装置外へ排出される。本実施形態では、加圧ローラ３１が定着ローラ２１に従動回転するため、定着ローラ２１の表面と記録媒体Ｐとの間で生じる剪断力Ｆ１と、加圧ローラ３１の表面と記録媒体Ｐとの間で生じる剪断力Ｆ２は、同じ値となる。

以下、剪断力Ｆの周方向成分の大きさを１５Ｎ以上２５Ｎ以下の範囲に設定する理由について以下説明する。

図９に、剪断力の周方向成分の大きさと固着トナーに起因する不良画像の発生率との関係を調べた試験結果を示す。
図９において、実線Ａ１、Ａ２は、それぞれ定着ローラと加圧ローラとの間で生じる剪断力の周方向成分の大きさを示し、破線Ｂ１、Ｂ２は、それぞれ定着ローラにトナーが固着したことに起因する不良画像の発生率を示す。剪断力がＡ１の場合は不良画像発生率がＢ１であり、剪断力がＡ２の場合は不良画像発生率がＢ２である。また、図９の横軸は、ニップ部へ記録媒体を通過させた累積枚数（累積通紙枚数）を示している。

図９に示す結果から、剪断力が１５Ｎ〜２５Ｎの範囲にあるＡ１の場合は、破線Ｂ１に示すように、不良画像の発生率が常に０％であった。これに対し、剪断力が１５Ｎ未満となったＡ２の場合は、破線Ｂ２に示すように、通紙枚数が増えるにつれて不良画像の発生率が増加した。これは、Ａ２の場合、剪断力が小さいため、十分な固着トナー除去効果が得られず、通紙枚数の増加と共に定着ローラに固着トナーが蓄積し、これが原因でオフセット画像等の不良画像が発生したものと考えられる。一方、剪断力が１５Ｎ以上であるＡ１の場合は、十分な固着トナー除去効果が得られた結果、定着ローラへの固着トナーの蓄積が抑えられ、不良画像が発生しなかったものと考えられる。

このように、剪断力の周方向成分の大きさを１５Ｎ以上とすることで、十分な固着トナー除去効果が得られるようになり、定着ローラへの固着トナーの蓄積を高度に抑制することが可能となる。反対に、剪断力の周方向成分の大きさが１５Ｎ未満となると、固着トナー除去効果が得られ難くなる。また、剪断力の周方向成分の大きさを２５Ｎ以下としているのは、２５Ｎを超えると、記録媒体にシワが発生しやすくなるからである。このため、剪断力の周方向成分の大きさを２５Ｎ以下とすることで、記録媒体にシワが発生しにくく、良好な画像が得られるようになる。

なお、図９において、不良画像が生じたＡ２の場合、累積通紙枚数の少ない初期状態（約５００枚未満の状態）では、剪断力が１５Ｎ以上で、不良画像の生じなかったＡ１の場合とほぼ同じであったが、その後、剪断力は急激に低下した。これは、Ａ１の場合とＡ２の場合とで、加圧ローラを支持する滑り軸受として異なる材質のものを用いていたが、初期状態ではいずれも新品であったため、材質の違いによる回転負荷の特性（剪断力に与える影響）にあまり差が生じなかったからと考えられる。すなわち、新品状態では滑り軸受の表面がスキン層で覆われていたことで、各滑り軸受の材質の違いによる差が明確に現れず、その後、スキン層が削れて材質自体の特性が現れることで、剪断力に差が生じたものと考えられる。このことからすれば、新品又はそれと同等の滑り軸受を用いた定着装置においては、剪断力が１５Ｎ以上であるか否かの判断は、初期状態では判別しにくく、少なくとも累積通紙枚数が１０００枚以上の状態で判断するのがよいと言える。

さらに、本実施形態においては、上記のように両ローラ２１、３１間の剪断力Ｆを所定の範囲内に設定することに加え、より効果的に固着トナーを除去するため、定着ローラ２１の外径を軸方向に渡って変化させている。

具体的には、図１０に示すように、定着ローラ２１の外径を軸方向の中央部側から端部側に向かって曲線状に増加するように形成している。また、定着ローラ２１の外径の増加率を、軸方向の中央部側から端部側に向かって大きくなるようにしている。ここでいう外径の増加率とは、軸方向の所定長さ当たりの外径の増加量である。すなわち、外径の増加率が端部側に向かって大きくなるとは、図１１に示すように、定着ローラ２１の軸方向に渡って所定長さで区切られた各区画Ｃ１〜Ｃｎにおいて、中央部側に隣接する区画に対する外径の増加量Ｄ１〜Ｄｎが、中央部側から端部側に向かって次第に大きくなることを意味する（Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３＜・・・＜Ｄｎ）。

なお、実際の定着ローラ２１の外径増加率は、図１０や図１１に示すほど大きくはないが、図１０及び図１１、さらに以下の説明で用いる各図面においては、定着ローラ２１の外径の変化がわかりやすいように外径形状を誇張して示している。

図１２は、本実施形態に係る定着ローラ２１に対して加圧ローラ３１を接触させて加圧した状態を示す図である。
本実施形態に係る加圧ローラ３１は、外径が軸方向に渡って変化しない（同じ大きさで）形成されているが、弾性層を有する弾性ローラであるため、硬質ローラである定着ローラ２１に接触することで弾性変形する。このため、加圧ローラ３１は、少なくともニップ部Ｎにおいては、外周面が定着ローラ２１の形状に倣って変形し、定着ローラ２１とは反対に外径が軸方向の中央部側から端部側に向かって曲線状に減少する。

上記のように、定着ローラ２１に加圧ローラ３１を加圧し、その状態で両ローラ２１，３１を回転させると、両ローラ２１、３１間で図１０中の矢印で示すような剪断力Ｆａ〜Ｆｃが発生する。これらの剪断力Ｆａ〜Ｆｃは、記録媒体搬送方向Ｅに対して軸方向端部側へ傾斜するように発生し、さらに、端部側へ向かって次第に大きくなる（Ｆａ＜Ｆｂ＜Ｆｃ）。なお、図１０では、軸方向に渡って生じる剪断力を、便宜的に６つの矢印（Ｆａ〜Ｆｃが２組）で表しているが、実際は軸方向のそれぞれの位置で異なる大きさの剪断力が発生する。

本実施形態において、各剪断力Ｆａ〜Ｆｃの発生方向が、記録媒体搬送方向Ｅに対して端部側へ傾斜する方向となるのは、定着ローラ２１の外径を軸方向の端部側に向かって大きくしたことで、中央部側と端部側とで定着ローラ２１の周速差が生じたためである。また、本実施形態において、剪断力Ｆａ〜Ｆｃが、端部側へ向かって次第に大きくなるのは、定着ローラ２１の外径の増加率を軸方向の中央部側から端部側に向かって大きくしたことに起因する。

一方、図２３に示すように、本実施形態とは異なり、定着ローラ２１の外径の増加率が一定である（外径が直線状に増加する）場合は、軸方向の各位置で生じる剪断力Ｆａ〜Ｆｃの大きさは同じであり変化はしない。

図２３に示す定着ローラ２１を用いた場合も、記録媒体Ｐがニップ部Ｎを通過する際に、これらの剪断力Ｆａ〜Ｆｃが生じることで、定着ローラ２１又は加圧ローラ３１から固着トナーを除去する効果はある程度は得られるものと考えられる。しかしながら、この場合は、軸方向の各位置での剪断力Ｆａ〜Ｆｃを比べた場合、これらは同じ大きさであり、剪断力Ｆａ〜Ｆｃ同士の間で差がないため、高い固着トナー除去効果は得られ難いと考えられる。

これに対し、本実施形態では、図１０に示すように、剪断力Ｆａ〜Ｆｃが軸方向に渡って変化し、軸方向の各位置での剪断力Ｆａ〜Ｆｃを比べた場合、剪断力同士の間で差がある。この剪断力同士の差によって、固着トナーを効果的に除去することができる。従って、上記図２３に示す例に比べて、高い固着トナー除去効果が得られる。また、本実施形態では、端部側に向かって剪断力が大きくなるため、特に端部側において高い固着トナー除去効果が得られる。

なお、本実施形態では、定着ローラ２１の軸方向全体に渡って外径を曲線状に変化させているが、外径を変化させる範囲は必ずしも軸方向全体でなく、一部のみであってもよい。しかし、固着トナーを記録媒体によって効果的に除去してオフセット画像を未然に防ぐには、定着ローラ２１の外径は少なくとも記録媒体の通過幅Ｗｐ（図１０参照）の範囲に渡って変化していることが好ましい。

ここで、定着ローラ２１の半径をＲ、定着ローラ２１に生じるトルク（回転トルク）をＴｒとした場合、定着ローラ２１と加圧ローラ３１との間で生じる剪断力の周方向成分の値Ｆｒは、下記式１で表すことができる。

Ｆｒ＝Ｔｒ／Ｒ・・・式１

このように、剪断力の周方向成分の値Ｆｒは、定着ローラ２１の半径ＲとトルクＴｒとの値によって求めることができるが、本実施形態に係る定着ローラ２１は半径Ｒが軸方向に渡って異なる。そのため、剪断力の周方向成分の値Ｆｒを算出するにあたっては、簡易的に定着ローラ２１の半径Ｒとして平均半径を用いる。

また、定着ローラ２１に生じるトルクＴｒは、定着ローラ２１に生じる総トルクである。定着ローラ２１の総トルクは、例えば、図１３に示すようなトルク測定装置５０で測定することが可能である。

図１３に示すトルク測定装置５０は、トルク変換器５１と、モータ５２と、シグナルコンディショナ５３と、コンピュータ５４と、固定台５５とを備える。固定台５５上には、トルク変換器５１及びモータ５２が設置されており、トルク変換器５１には、シグナルコンディショナ５３を介してコンピュータ５４が接続されている。また、トルク変換器５１を挿通するモータ５２の回転軸の先端には駆動ギア５６が設けられている。

定着ローラ２１の総トルクを測定するには、まず、定着ローラ２１を定着装置２０ごと固定台５５に固定し、定着ローラ２１の軸方向一端部に設けられたギア部２１ａを駆動ギア５６に連結する。この状態で、モータ５２を駆動させて、そのとき定着ローラ２１に生じる総トルクをトルク変換器５１で測定する。そして、測定データをシグナルコンディショナ５３で所定の信号に変換してコンピュータ５４に入力し、総トルクを算出する。

このようにして得られた定着ローラ２１の総トルクの値Ｔｒと定着ローラ２１の平均半径の値Ｒを上記式１に入力することで、定着ローラ２１と加圧ローラ３１との間で生じる剪断力の周方向成分の値Ｆｒを算出することが可能である。そして、得られた剪断力の周方向成分の値Ｆｒが、１５Ｎ以上２５Ｎ以下の範囲となるように、トルクの大きさやローラ半径等を調整すればよい。なお、本実施形態では、駆動ローラである定着ローラ２１の総トルクを算出しているが、加圧ローラ３１が駆動ローラである場合は、加圧ローラ３１の総トルクを同様に算出して、この値と加圧ローラ３１の（ニップ部Ｎにおける）平均半径を用いて、剪断力の周方向成分の値Ｆｒを算出すればよい。

以下、本発明の他の実施形態の構成について説明する。なお、以下に説明する実施形態の構成のうち、上記実施形態と同様の機能を有する箇所については同一の符号を付して重複説明を省略する。

図１４に示す実施形態では、上述の実施形態と同様、定着ローラ２１の外径を軸方向の中央部側から端部側に向かって曲線状に増加するように形成しているが、その外径の増加率が異なっている。図１４に示す実施形態では、上記実施形態とは異なり、定着ローラ２１の外径の増加率が、軸方向の中央部側から端部側に向かって小さくなっている。すなわち、図１５に示すように、定着ローラ２１の軸方向に渡って所定長さで区切られた各区画Ｃ１〜Ｃｎにおいて、互いに隣接する中央部側の区画に対する端部側の区画の外径の増加量Ｄ１〜Ｄｎは、中央部側から端部側に向かって次第に小さくなっている（Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３＞・・・＞Ｄｎ）。

図１６は、図１４に示す定着ローラ２１に対して加圧ローラ３１を接触させて加圧した状態を示す図である。
本実施形態の場合も、加圧ローラ３１は、弾性ローラであるため、定着ローラ２１に対して加圧されることで、少なくともニップ部Ｎにおいて定着ローラ２１の形状に倣って弾性変形する。

本実施形態においては、定着ローラ２１に加圧ローラ３１を加圧した状態で回転させると、両ローラ２１、３１間で図１４中の矢印で示すような剪断力Ｆａ〜Ｆｃが発生する。これらの剪断力Ｆａ〜Ｆｃは、上述の実施形態と同様に、記録媒体搬送方向Ｅに対して軸方向端部側へ傾斜するように発生する。ただし、本実施形態では、上述の実施形態とは異なり、定着ローラ２１の外径の増加率を、軸方向の中央部側から端部側に向かって小さくなるようにしているため、これに起因して剪断力Ｆａ〜Ｆｃは、端部側へ向かって次第に小さくなる（Ｆａ＞Ｆｂ＞Ｆｃ）。

図１４に示す定着ローラ２１を用いた場合も、剪断力Ｆａ〜Ｆｃが軸方向に渡って変化するため、軸方向に渡る剪断力間の差によって、効果的に固着トナーを除去することができる。また、本実施形態では、中央部側に向かって剪断力が大きくなるため、特に中央部側において高い固着トナー除去効果が得られる。

また、上記とは別の実施形態として、図１７や図１８に示すような定着ローラ２１を用いてもよい。図１７に示す定着ローラ２１は、外径が軸方向の中央部側から端部側に向かって減少し、その外径の減少率が軸方向の中央部側から端部側に向かって大きくなるように形成されている。一方、図１８に示す定着ローラ２１は、外径が軸方向の中央部側から端部側に向かって減少しているが、外径の減少率が軸方向の中央部側から端部側に向かって小さくなるように形成されている。

図１７に示す定着ローラ２１を用いた場合、定着ローラ２１と加圧ローラ３１との間で生じる剪断力Ｆａ〜Ｆｃは、端部側へ向かって次第に大きくなる（Ｆａ＜Ｆｂ＜Ｆｃ）。一方、図１８に示す定着ローラ２１を用いた場合、定着ローラ２１と加圧ローラ３１との間で生じる剪断力Ｆａ〜Ｆｃは、端部側へ向かって次第に小さくなる（Ｆａ＞Ｆｂ＞Ｆｃ）。このように、図１７に示す定着ローラ２１と図１８に示す定着ローラ２１は、剪断力Ｆａ〜Ｆｃの大きくなる側が中央部側であるか端部側であるかで異なっているが、いずれのローラにおいても、剪断力Ｆａ〜Ｆｃが軸方向に渡って変化する。このため、図１７又は図１８に示す定着ローラ２１用いた場合も、軸方向に渡る剪断力間の差によって効果的に固着トナーを除去することができる。

ただし、図１７や図１８に示す定着ローラ２１は、剪断力Ｆａ〜Ｆｃが記録媒体搬送方向Ｅに対して軸方向中央部側へ傾斜するように発生する。このため、記録媒体Ｐへのシワの発生のしやすさを考慮すると、図１７、図１８に示す定着ローラ２１よりは、図１０、図１４に示す定着ローラ２１の方が好ましい（シワが生じにくい。）。特に、図１０に示す定着ローラ２１の場合は、端部側に向かって剪断力Ｆａ〜Ｆｃが大きくなるため、最もシワの発生が生じにくくなる。

また、上述のような定着ローラ２１の構成は、図２に示すような定着装置２０以外に、例えば、図１９に示すような定着装置２０にも適用可能である。図１９に示す定着装置２０は、定着ローラ２１と、内部にハロゲンヒータ２４を有する加熱ローラ２２と、これらに張架される無端状の定着ベルト２７と、定着ベルト２７を介して定着ローラ２１に接触する加圧ローラ３１とを備える。斯かる定着装置２０が備える定着ローラ２１に、上記図１０、図１４、図１７、図１８のいずれかの定着ローラ２１の形状を適用することで、上述の剪断力を発生させ、効果的に固着トナーを除去することができる。すなわち、定着ローラ２１を、図１０、図１４、図１７、図１８のいずれかの定着ローラ２１の形状にすることで、互いに接触する定着ベルト２７と加圧ローラ３１とが、少なくともニップ部Ｎにおいて、外径が軸方向の中央部側から端部側に向かって曲線状に増加又は減少するように形成される。これにより、定着ベルト２７と加圧ローラ３１との間で、軸方向に渡って大きさが変化する剪断力を発生させることができるため、各剪断力間の差によって効果的に固着トナーを除去することができる。

さらに、本発明の構成は、図２０に示すような定着装置２０にも適用可能である。図２０に示す定着装置２０は、定着ローラを有しておらず、固定されたニップ形成部材２６によって定着ベルト２７を加圧ローラ３１に接触させることでニップ部Ｎを形成する。斯かる定着装置２０において、ニップ形成部材２６の定着ベルト２７と接触する面を、図２１（ａ）〜（ｄ）のいずれかの形状に形成することで、定着ベルト２７と加圧ローラ３１との外径を、少なくともニップ部Ｎにおいて軸方向の中央部側から端部側に向かって曲線状に増加又は減少するように形成することができる。なお、図２１の（ａ）〜（ｄ）に示すニップ形成部材２６の形状は、順に、図１０、図１４、図１７、図１８に示す定着ローラ２１の形状に相当するものである。

また、より確実に固着トナーの発生を防止するために、図２２（ａ）に示す実施形態のように、定着ローラ２１の表面にクリーニング手段としてのクリーニングローラ４３を接触させて配置してもよい。あるいは、同図（ｂ）に示すように、クリーニングローラ４３を、加圧ローラ３１の表面に接触させて配置してもよい。この場合、定着ローラ２１上又は加圧ローラ３１上の固着トナー２０３が、ニップ部Ｎを通過する記録媒体Ｐによって除去されることに加え、クリーニングローラ４３によっても固着トナー２０３が除去される。これにより、より確実に固着トナー２０３を除去することができ、不良画像の発生をより高度に防止することが可能となる。

また、このように、クリーニングローラ４３を設けた場合でも、記録媒体Ｐによって固着トナー２０３が除去される分、クリーニングローラ４３によって除去・回収される固着トナー２０３の量が低減する。このため、クリーニングローラ４３で回収した固着トナー２０３が凝固することで異音が発生したり、クリーニングローラ４３に所定量以上蓄積された固着トナー２０３が溶け出すことで記録媒体を汚したりするといった不具合が生じにくくなる。

以上のように、本発明に係る定着装置によれば、定着ローラ、加圧ローラ等の回転体同士の間で、周方向成分の大きさが１５Ｎ以上で２５Ｎ以下となる剪断力を発生させた状態で、ニップ部に記録媒体を通過させることで、記録媒体と各回転体との間で付着物除去力（剪断力）を十分に生じせることができる。すなわち、特許文献１のような記録媒体を介さない状態で定着部材と加圧部材との間で移動速度差をつける構成よりも大きな付着物除去力を生じせることができる。これにより、本発明に係る定着装置では、回転体上の固着トナー等の付着物を確実に除去することができるようになる。しかも、記録媒体にシワが発生しにくく、良好な画像を得ることができる。

さらに、本発明に係る定着装置によれば、少なくともニップ部において、回転体の外径が軸方向の中央部側から端部側に向かって曲線状に増加又は減少するように形成されていることで、軸方向に渡って大きさの異なる剪断力を発生させることができる。これにより、これらの剪断力間の差によって、より効果的に付着物を除去することができる。

また、本発明に係る定着装置によれば、回転体上の付着物を記録媒体に転移させて除去することができるので、上記特許文献２に記載のようなクリーニング手段（クリーニングウェブやクリーニングローラ等）を別途設置する必要がない。このため、コストアップや装置の大型化を回避することができる。

なお、図２２に示す実施形態のように、必要に応じて、定着ローラ上又は加圧ローラ上の固着トナーを除去するクリーニング手段を別途設けてもよい。この場合、クリーニング手段を設けても、記録媒体によって固着トナーが除去される分、クリーニング手段によって除去・回収される固着トナーの量を低減することができる。このため、クリーニング手段で回収した固着トナーが凝固することによる異音の発生や、固着トナーがクリーニング手段から溶け出すことによる記録媒体の汚れ等の不具合を生じにくくすることができる。

また、本発明に係る定着装置においては、ニップ部に記録媒体が通過するたびに付着物除去効果が発揮される。このため、上記特許文献１に記載のような通紙中にトナー除去を行わない構成に比べて、頻繁に付着物の除去を行うことができ、回転体への付着物の堆積を効果的に抑制することができる。

特に、上記のような本発明の効果は、炭酸カルシウム等の填料が多く含まれている記録媒体を用いる場合に大きな効果が期待できる。また、シリコーンオイルを含むシリカ粒子が外添されてなるトナーを用いた場合にも大きな効果が期待できる。この種のトナーは、例えば、粉砕トナー又は重合トナー１００部に対して、表面にシリコーンオイルを含有又は被覆された疎水シリカ ＲＹ５０（アエロジル製）を２部添加し、２０Ｌヘンシェルミキサーで周速４０ｍ／ｓｅｃ、５分間の混合処理を行い、その後、目開き７５ミクロンの篩で篩って得られる。

以上、本発明について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。本発明に係る定着装置を備える画像形成装置は、図１に示すようなカラー画像形成装置に限らず、モノクロ画像形成装置であってもよい。また、本発明を適用可能な画像形成装置は、プリンタ、複写機、ファクシミリ、あるいはこれらの複合機等も含まれる。

２０ 定着装置
２１ 定着ローラ（回転体）
３１ 加圧ローラ（回転体）
Ｅ 記録媒体搬送方向
Ｎ ニップ部
Ｐ 記録媒体

特開２００２−４０８６０号公報 特開２００９−３７０７８号公報

Claims (11)

1. 互いに接触してニップ部を形成する２つの回転体を備え、
   前記ニップ部に、画像が形成された記録媒体を通過させて画像の定着を行う定着装置において、
   前記回転体は、少なくとも前記ニップ部において、外径が軸方向の中央部側から端部側に向かって曲線状に増加又は減少するように形成され、
   前記回転体同士の間で、周方向成分の大きさが１５Ｎ以上で２５Ｎ以下となる剪断力を発生させた状態で、前記ニップ部に記録媒体を通過させることを特徴とする定着装置。
2. 前記２つの回転体の一方は硬質ローラ、他方は前記硬質ローラに接触することで弾性変形する弾性ローラであって、
   前記硬質ローラの外径を軸方向の中央部側から端部側に向かって曲線状に増加するように形成した請求項１に記載の定着装置。
3. 前記硬質ローラの外径の増加率が軸方向の中央部側から端部側に向かって大きくなるようにした請求項２に記載の定着装置。
4. 前記硬質ローラの外径の増加率が軸方向の中央部側から端部側に向かって小さくなるようにした請求項２に記載の定着装置。
5. 前記回転体同士の間で発生させる剪断力を、記録媒体搬送方向に対して軸方向端部側へ傾斜するように発生させる請求項１から４のいずれか１項に記載の定着装置。
6. 前記回転体同士の間で発生させる剪断力が、軸方向中央部側から端部側へ向かって大きくなる請求項１から５のいずれか１項に記載の定着装置。
7. 前記回転体同士の間で発生させる剪断力が、軸方向中央部側から端部側へ向かって小さくなる請求項１から５のいずれか１項に記載の定着装置。
8. 前記回転体同士の間で発生させる剪断力の周方向成分の値を、前記回転体に生じる総トルクを当該回転体の平均半径で除算して得られる値とする請求項１から７のいずれか１項に記載の定着装置。
9. 前記２つの回転体の一方は、駆動力が付与されて回転する駆動回転体であって、他方は、前記駆動回転体と一緒に従動回転する従動回転体である請求項１から８のいずれか１項に記載の定着装置。
10. 前記ニップ部を通過する記録媒体の累積通過枚数が少なくとも１０００枚以上となった状態で、前記回転体同士の間で発生させる剪断力が１５Ｎ以上で２５Ｎ以下に維持される請求項１から９のいずれか１項に記載の定着装置。
11. 請求項１から１０のいずれか１項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。