JP7066999B2 - 定着装置、画像形成装置、および定着装置の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、定着装置、画像形成装置、および定着装置の設計方法に関し、詳しくは、印刷媒体上に形成されたトナー画像を定着させる定着装置、定着装置を有する画像形成装置、および定着装置の設計方法に関する。

近年、企業の印刷部門やプリントショップなどではプロダクションプリント機と言われている電子写真方式による画像形成装置が利用されている。

プロダクションプリント機においても、省エネ性能が求められている。従来の画像形成装置の定着装置において、定着ローラーもしくは加圧ローラーに連続気泡を有する断熱発泡体用いることで低熱容量化させることで、ウォーミングアップタイムの短縮による省エネ効果を出す技術がある。さらに、ローラーに加わる応力による発泡体の破壊を防止するために、ローラーの端部に発泡体の変形を抑える変形防止部を設けた技術がある（特許文献１）。

特開２０１２－１６８２６５号公報

発泡体は、低荷重で広ニップを稼げることができるため、ニップ部を通過する用紙に対して加熱、加圧することのできる面積が大きくなり、高速化が可能となる。その半面、高速化することで発泡体にかかる応力も多くなる。このため従来技術のようにローラー端部に変形防止部材を設けただけでは、応力による破壊を防止することが難しく、耐久性に問題があった。

そこで、本発明の目的は、ローラーに発泡体を用いた定着装置において、耐久性を向上させた定着装置を提供することである。また、本発明の他の目的は、耐久性を向上させた定着装置を用いた画像形成装置を提供することである。さらに、他の目的はローラーに発泡体を用いた定着装置において、耐久性を向上させた定着装置の設計方法を提供することである。

本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。

（１）第１加圧ローラーと、
前記第１加圧ローラーに掛けられているベルトと、
前記ベルトを介して前記第１加圧ローラーと対向して配置され、前記ベルトとの間で定着ニップ部を形成する第２加圧ローラーと、
前記第２加圧ローラーの位置を変更するローラー位置変更部と、を有し、
前記第１加圧ローラーおよび前記第２加圧ローラーのいずれか一方は、芯金と前記芯金を覆う発泡体を有するローラーであり、
前記ローラー位置変更部は、前記芯金と前記発泡体の界面から前記発泡体内に生じる最大せん断ひずみがあらかじめ決められた範囲となるように、印刷媒体が普通紙かコート紙かに応じて前記定着ニップ部のピーク面圧を変更できるように前記第２加圧ローラーの位置を変更し、前記コート紙の場合のピーク面圧は、前記普通紙の場合にとりうるピーク面圧範囲内において設定可能である、定着装置。

（２）前記最大せん断ひずみは、０．５０以下である、上記（１）に記載の定着装置。

（３）前記定着ニップ部の幅は１６～３０ｍｍである、上記（１）または（２）に記載の定着装置。

（４）前記最大せん断ひずみの発生する範囲は、
前記第１加圧ローラーの回転中心から前記第２加圧ローラーの回転中心を結ぶ線を仮想線分とし、前記発泡体を有するローラーの中心から、前記仮想線分よりローラー回転方向の上流側へ４５°、下流側へ４５°でそれぞれ引いた線分の範囲である、上記（１）～（３）のいずれか１つに記載の定着装置。

（５）前記発泡体は、セル径が１～５０μｍの連続気泡を有する、上記（１）～（４）のいずれか１つに記載の定着装置。

（６）前記発泡体は、前記界面からローラー表面までの前記発泡体の厚さが１０～３０ｍｍである、上記（１）～（５）のいずれか１つに記載の定着装置。

（７）前記第１加圧ローラーおよび前記第２加圧ローラーの外径は５０～７０ｍｍである、上記（１）～（６）のいずれか１つに記載の定着装置。

（８）印刷媒体にトナー画像を形成する画像形成部と、
前記画像形成部によって形成されたトナー画像を前記印刷媒体に定着させる、上記（１）～（７）のいずれか１つに記載の定着装置と、
を有する、画像形成装置。

本発明によれば、定着装置に芯金と発泡体からなるローラーを用い、芯金と発泡体の界面から発泡体内に生じる最大せん断ひずみがあらかじめ決められた範囲となるように、印刷媒体の種類に応じて定着ニップ部のピーク面圧を変更できるようにした。これにより、発泡体を用いているローラーの寿命を長くすることができ、定着装置耐久性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る画像形成システムの構成を示す概略図である。 画像形成システムの構成を示すブロック図である。 定着部を説明するための側面図である。 定着装置におけるニップ部のピーク面圧変更のための手順を示すフローチャートである。 せん断ひずみを説明するための説明図である。 せん断ひずみを説明するための説明図である。 ＣＡＥによる引張力解析の結果である変形量を示すディスプレイ表示された解析図である。 ＣＡＥによるせん断ひずみ解析の結果である最大弾性せん断ひずみを示すディスプレイ表示された解析図である。 耐久時間とひずみの関係を示すグラフである。 ひずみと面圧の関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

（画像形成システム）
図１は、本発明の一実施形態に係る画像形成システムの構成を示す概略図である。図２は、画像形成システムの構成を示すブロック図である。

画像形成システム１００は、プロダクションプリント機と称されるシステムである。この画像形成システム１００は、大別して、画像形成装置１０１、読取装置１０２、後処理装置１０３、給紙装置１０４から構成される。画像形成装置１０１は印刷媒体（たとえば用紙）に画像形成（印刷）を行う。読取装置１０２は、印刷後の用紙の画像を読み取る。後処理装置１０３は印刷後の用紙を後処理する。給紙装置１０４は給紙トレイ４１と共に収納している用紙を画像形成部３０へ供給する。

図２に示すように、画像形成システム１００は、制御部１０、記憶部２０、画像形成部３０、給紙搬送部４０、操作表示部５０、スキャナー６０、分光測色計７０、後処理部９０、および通信Ｉ／Ｆ（インターフェース）９５を備える。これらは、各部の間で信号をやり取りするためのバスを介して相互に接続されている。また、バスには、給紙装置１０４も接続されていて信号をやり取りする。

制御部１０は、ＣＰＵであり、プログラムに従って各部の制御や各種の演算処理を行う。また、制御部１０は、後述する定着部（定着装置）の制御も行っている。

記憶部２０は、あらかじめ各種プログラムや各種データを格納しておくＲＯＭ、作業領域として一時的にプログラムやデータを記憶するＲＡＭ、および各種プログラムや各種データを格納するハードディスク等から構成される。

画像形成部３０は、中間転写ベルト３１、感光体ドラム３２、現像部３３、書込部３４、および２次転写部３５を備える。

感光体ドラム３２、現像部３３、および書込部３４は、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の各基本色に対応した構成をそれぞれ備える。図１では、感光体ドラム３２、現像部３３については、符号３２（Ｙ）、３３（Ｙ）以外の符号の表記を省略している。

画像形成部３０の書込部３４は、画像データに基づいて、帯電された感光体ドラム３２の表面を露光し、静電潜像を形成する。現像部３３では、形成された静電潜像を現像部３３のトナーにより現像して、各感光体ドラム３２の表面に各色のトナー画像を形成する。これを各色の１次転写部（図示せず）で中間転写ベルト３１上に順次重ねてゆき、フルカラーのトナー画像を形成する。このトナー画像は、２次転写部３５で用紙Ｓ上に転写される。その後、トナー画像が形成された用紙Ｓは、定着部３６へ搬送されて、定着部３６で加熱・加圧処理することで用紙Ｓ上にフルカラーの画像を定着する。定着部３６は、定着装置であり、詳細は後述する。

給紙搬送部４０は、搬送路４２（４２ａ～４２ｄ）、複数の搬送ローラー、これを駆動する駆動モーター（図示せず）、および排紙トレイ４４を備える。

給紙搬送部４０は、駆動モーターの駆動によってそれぞれの搬送ローラーを所定のタイミングで回転させ、給紙装置１０４から供給される用紙Ｓおよび給紙トレイ４１から供給される用紙Ｓを画像形成部３０へ搬送する。

搬送路４２は、画像形成部３０内の搬送路４２ａ、４２ｄ、読取装置１０２内の搬送路４２ｂ、後処理部９０内の搬送路４２ｃから構成される。

給紙装置１０４または給紙トレイ４１から給紙された用紙Ｓは、搬送路４２ａを搬送される。搬送路４２ａには、クラッチにより回転、停止することで用紙の搬送タイミングを調整するレジストローラー４３１が配置されている。

搬送路４２ａを搬送され画像形成部３０により画像形成された用紙Ｓは、下流側の搬送路４２ｂ、４２ｃを経由して、印刷ジョブの印刷設定に応じた各処理を施されたのち機外に排出され排紙トレイ４４上に載置される。

また、印刷ジョブの印刷設定が、両面印刷の設定であれば、片面（第１面、通常は表面）に画像形成された用紙Ｓを画像形成部３０の下部にあるＡＤＵ搬送路４２ｄに搬送する。このＡＤＵ搬送路４２ｄに搬送された用紙Ｓは、スイッチバック経路で表裏を反転された後、搬送路４２ａに合流し、再び画像形成部３０で用紙Ｓのもう一方の面（第２面、通常は裏面）に画像形成される。

操作表示部５０はタッチパネル付きディスプレイ、テンキー、スタートボタン、ストップボタン等を備えており、印刷条件、表裏画像の形成位置調整の実行タイミング等の各種設定の入力や、装置の状態の表示および各種指示の入力に使用される。またユーザーは、操作表示部５０を通じて、定着装置における面圧調整（後述）の指示を入力する。また、ユーザーは操作表示部５０を通じて用紙情報を入力する。用紙情報としては、用紙の種類（普通紙（上質紙）、コート（塗工）紙など）、用紙の坪量、厚み、サイズ等がある。入力した用紙情報は、給紙トレイ４１（各トレイ４１ａおよび４１ｂ）または給紙装置１０４と関連付けられて記憶部２０に記憶される。

スキャナー６０は、搬送路４２ｂ上に、この搬送路４２ｂを通過する、印刷後の用紙Ｓの画像を読み取る。

制御部１０は、スキャナー６０で得られた画像データから、色調整や画像位置調整を行う。スキャナー６０には、背面部６９が搬送路４２ｂを挟んで対向する位置に設けられている。

スキャナー６０は、ラインイメージセンサー、レンズ光学系、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）光源およびこれらを収納する筐体等を備え、搬送される用紙に印刷された画像を読み取る。画像の読み取りは、ＬＥＤ光源からの光が、搬送路４２ｂ上の読取位置を通過する用紙Ｓの表面を照射する。この読取位置の像は、レンズ光学系により導かれ、ラインイメージセンサー上に結像し、読み取られる。

分光測色計７０は、たとえば分光計であり、搬送路４２ｂを挟んで配置されている対向部７５との間を通過する用紙Ｓ上に形成されたカラーパッチを分光的に測定し、可視光領域およびその近傍領域における各波長の分光反射率を取得する。測色データは、たとえば印刷画像の色調整に用いられる。

後処理部９０は、搬送路４２ｃに設けられている。後処理部９０では、たとえば綴じ処理を行い、用紙をスタックするスタック部とステープル部を有し、複数枚の用紙Ｓをこのスタック部で重ねた後、ステープル部でステープルを用いた平綴じ処理を行う。平綴じされた用紙Ｓの束は、排紙トレイ４４上に排出される。また平綴じしない用紙Ｓは、そのまま搬送路４２ｃを経由して排出される。

通信インターフェース９５には、ＳＡＴＡ、ＰＣＩ Ｅｘｐｒｅｓ、ＵＳＢ、イーサネット（登録商標）、ＩＥＥＥ１３９４などの規格によるネットワークインターフェース、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＩＥＥＥ８０２．１１などの無線通信インターフェース、などの各種ローカル接続インターフェースが用いられる。通信インターフェース９５を通じてＰＣ等の外部の端末からの印刷データおよび印刷設定で構成される印刷ジョブが受信される。

給紙トレイ４１は、ここでは上トレイ４１ａと下トレイ４１ｂの２段の引き出し式トレイとなっていて、それぞれ個別に用紙を収納し、画像形成装置１０１へ用紙を供給する。

給紙装置１０４は、画像形成装置１０１内部の各トレイ４１ａおよび４１ｂよりも多くの用紙を収納し、画像形成装置１０１へ用紙を供給する。しかし、給紙装置１０４は、これに限らず、多段式のトレイを備え、各トレイに個別に用紙を収納できるようになっていてもよい。

給紙トレイ４１および給紙装置１０４には、互いに異なる種類の用紙を収納して用いられることが多い。たとえば、普通紙とコート紙、また、普通紙やコート紙においても、それぞれ大きさや坪量が異なる用紙が給紙トレイ４１および給紙装置１０４のそれぞれに収納して用いられる。

なお、読取装置１０２、後処理装置１０３、給紙装置１０４のいずれか、またはすべてはなくてもよく、画像形成システムとしてユーザーが所望する機能を達成するために、画像形成装置１０１に連結すればよい。

（定着装置）
定着部３６として用いられている定着装置について説明する。図３は定着部を説明するための側面図である。

定着部３６は、ベルト式定着装置である。加熱ローラー３６０、上加圧ローラー３６１（第１加圧ローラー）、下加圧ローラー３６２（第２加圧ローラー）、ベルト３６４、およびローラー位置変更部３７０を有する。

この定着部３６は、上加圧ローラー３６１にかかっているベルト３６４を挟んで下加圧ローラー３６２が配置されている。この下加圧ローラー３６２とベルト３６４の間に定着ニップ部（以下単にニップ部３８０と称する）が形成される。上加圧ローラー３６１と下加圧ローラー３６２は同期して回転し、下加圧ローラー３６２とベルト３６４の間に、用紙を通過させて、用紙にトナー画像を定着させる。

加熱ローラー３６０は、内部にヒーター３６０１を有する。ヒーター３６０１は、ニップ部３８０の付近に設けられている温度センサー（不図示）によって検知された温度が適正温度となるように制御部１０によって制御される。

上加圧ローラー３６１は、芯金３６１１と、芯金３６１１の周りを覆う発泡体３６１２とを有する。発泡体３６１２はたとえば、シリコーンゴムを連続発泡させたものであり、耐熱性に優れている。この発泡体３６１２は、たとえば、セル径が１～５０μｍの連続気泡を有することが好ましい。また、発泡体３６１２の厚さ（芯金３６１１と発泡体３６１２の界面から発泡体３６１２表面までの半径方向の距離）は、１０～３０ｍｍであることが好ましい。また、上加圧ローラー３６１の外形は５０～７０ｍｍであることが好ましい。このようなセル径、厚さ、および外径とした発泡体３６１２を用いることで、後述するようにニップ部３８０の面圧を変化させた際にも、良好な画質となる定着動作を行うことができる。芯金３６１１と発泡体３６１２は固着（接着剤による接着など）されている。

加熱ローラー３６０と上加圧ローラー３６１は、位置が固定されている。ベルト３６４は、加熱ローラー３６０と上加圧ローラー３６１とに、一定のテンションとなるように掛けられている。加熱ローラー３６０は、上加圧ローラー３６１の回転に伴って回転する。

下加圧ローラー３６２は、軸３６２１の周りに金属の回転体３６２２と、回転体３６２２の周りを覆う弾性体３６２３を有する。弾性体３６２３はたとえば、非発泡のシリコーンゴムである。下加圧ローラー３６２の外径も、上加圧ローラー３６１と同様に５０～７０ｍｍが好ましい。

ローラー位置変更部３７０は、駆動軸が偏芯して取り付けられているカム３７１と、このカム３７１の動きによって上加圧ローラー３６１に対して近接離隔する保持部材３７２と、保持部材３７２と下加圧ローラー３６２の軸３６２１に接続された弾性材３７３とを有する。保持部材３７２は、保持部材３７２の一端に設けられた固定軸３７２１の回りを回動する。弾性材３７３はたとえばバネである。カム３７１、保持部材３７２、および弾性材３７３は、下加圧ローラー３６２の軸３６２１の両端部（または両端部近傍で、定着ニップ部にかからない位置）に設けられている。

ローラー位置変更部３７０は、モーター３７４を有し、軸両端部に設けられているカム３７１の駆動軸と接続されている。ローラー位置変更部３７０は、モーター３７４の動きにより、軸両端部に設けられているカム３７１が同じ動きをして、下加圧ローラー３６２の位置が、上加圧ローラー３６１に対して近接、離隔する。これにより下加圧ローラー３６２から上加圧ローラー３６１への加圧力が変更されてニップ部３８０の面圧が調整できる。モーター３７４は、たとえばステッピングモーターなど正確な位置決め制御が可能なモーター３７４を用いることが好ましい。このモーター３７４は停止状態で励磁されることでカム３７１の動きを停止させることができる。

モーター３７４の動作は、制御部１０によって制御される。たとえば、モーター３７４の回転角から得られるニップ部３８０のピーク面圧（後述）を、たとえばテーブルデータなどとしてあらかじめ記憶部２０に記憶しておく。そして画像形成装置１０１に電力が供給されると、制御部１０は、記憶部２０を参照して、モーター３７４を指定される面圧となる位置まで回転させて、その位置で停止させる。停止位置で励磁状態（通電状態）を保つことで、モーター３７４をその位置で停止させる。これにより、所望のピーク面圧が得られる。モーター３７４の回転角とニップ部３８０のピーク面圧の関係は、あらかじめ実測して記憶部２０に記憶しておく。なお、モーター３７４の位置決め停止後、モーターを励磁し続けなくてもよいように、カム３７１を停止位置に保つためのブレーキを設けてもよい。

保持部材３７２と弾性材３７３は、ニップ部３８０を紙が通過したときに、下加圧ローラー３６２が紙厚さ分下がり、用紙通過後元の位置に戻すために設けられている。

上述のように構成された本実施形態による定着装置におけるニップ部３８０のピーク面圧の制御について説明する。

本実施形態の定着装置は印刷媒体の種類に応じて、定着装置におけるニップ部３８０のピーク面圧を変えている。図４は、定着装置におけるニップ部のピーク面圧変更のための手順を示すフローチャートである。

定着装置のニップ部３８０のピーク面圧（以下単にピーク面圧という）は、ニップ幅方向（すなわち用紙搬送方向）におけるニップ部３８０の面圧の最大値のことである。

制御部１０は、まず、印刷する用紙種類を判別する（Ｓ１１）。ここでは、用紙種類として、普通紙かコート紙かを判別する。用紙種類は、印刷するジョブ内の情報、または給紙トレイ４１や給紙装置１０４に収納されている用紙の情報から取得する。給紙トレイ４１や給紙装置１０４に収納されている用紙の情報は給紙トレイ４１や給紙装置１０４に用紙を収納するときに設定されて記憶部２０に記憶される。また、用紙種類は、Ｓ１１の段階でユーザーからの入力（操作表示部５０から入力）により取得してもよい。

続いて、制御部１０は、判別した用紙種類が普通紙かコート紙かに応じて（Ｓ１２）、ピーク面圧を設定する（Ｓ１３またはＳ１４）。用紙種類に応じたピーク面圧は、発泡体３６１２の耐久性を考慮して決められていて、あらかじめ記憶部２０に記憶しておく。この面圧と耐久性の関係については、後述する実施例によって詳細を明らかにする。ここで概要を説明すると、上加圧ローラー３６１の芯金３６１１と発泡体３６１２の界面から発泡体内部方向に応力によるひずみがかかる。このひずみが耐久性低下の原因なる。このひずみが発生する範囲は、上加圧ローラー３６１の回転中心から下加圧ローラー３６２の回転中心へ引いた仮想線分を中心線として、発泡体３６１２を有する上加圧ローラー３６１の中心から、仮想線分より上加圧ローラー３６１の回転方向の上流側へ４５°、下流側へ４５°でそれぞれ引いた線分の範囲である（仮想線分を中心として上流から下流までの９０°以内の範囲）。この範囲における最大せん断ひずみが静止状態において、０．５０以下となるようにピーク面圧を調整する。これにより、発泡体３６１２を用いた上加圧ローラー３６１の耐久性が向上する。

本実施形態では、用紙種類に応じたピーク面圧として、たとえば、普通紙は８０ｋＰａ以上１２０ｋＰａ未満（Ｓ１３）とし、コート紙は１２０ｋＰａ以上４００ｋＰａ以下（Ｓ１４）としている。

続いて、制御部１０は、設定されたピーク面圧となるように下加圧ローラー３６２の位置を変更する（Ｓ１５）。下加圧ローラー３６２の位置変更は、既に説明したように、記憶部２０に記憶したテーブルを参照して、設定されたピーク面圧となるように、モーター３７４を駆動してカム３７１を回転させることで、下加圧ローラー３６２の位置を変更する。これでピーク面圧を制御するための処理は終了する。

その後、印刷するジョブに従って、画像形成が行われて定着部３６による定着も行われる。

これによりニップ部３８０にかかるピーク面圧が耐久性を考慮して決められ、かつ用紙種類に応じた適切な面圧となるため、画質の低下を招くことなく、耐久性を向上させることができる。

実施形態における定着装置と同様の実験装置を製作して様々な実験を行った。

（面圧）
発泡体３６１２を上加圧ローラー３６１に用いることで省エネ性を向上できることは従来技術のとおりである。しかしながら、発泡体３６１２を上加圧ローラー３６１に用いた場合、発泡させていないシリコーンゴムローラーに比べて面圧が下がってしまうという欠点がある。この面圧低下はコート紙の場合に特に影響する。コート紙の場合は、普通紙程度の低い面圧で通紙すると、トナーブリスタという現象が発生する。トナーブリスタは、トナー中の水分やトナー層中の空気が定着時の加熱で気化、膨張し、紙基材側への逃げ場がコート層で遮断されているため、溶けたトナー層表面から細かい気泡となって逃げる現象である。トナーブリスタが発生すると画像がガサガサになって画質が低下する。

一方、コート紙を使用する際にこのトナーブリスタを回避するために面圧を高くし過ぎると、紙が変形したり、光沢が高すぎてぎらつく画像になるという問題が発生する。そして何よりも、面圧を高くすると、発泡体３６１２の寿命を縮めてしまう原因になることがわかった。

そこで、実際に上記実施形態の定着装置同様の実験装置（定着装置）を製作して面圧と画質との関係を調べた。これには下記の実験装置１を製作して実験した。

・上加圧ローラー：外径φ６０ｍｍ、厚さ１５ｍｍ、シリコーンゴム製の発泡体３６１２でセル径３０μｍ、ＡｓｋｅｒＣ硬度３０°（シンジーテック株式会社製 スポンジ）、
・下加圧ローラー：外径φ６０ｍｍ、厚さ２ｍｍ、シリコーンゴム（非発泡）製、表層ＰＦＡチューブ（ＪＩＳＡ硬度３０°）（ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（略号：ＰＦＡ））、
・ベルト：外径φ９９ｍｍ、７０μｍ厚ポリイミド基体、厚さ２００μｍシリコーンゴム、表層ＰＦＡチューブ、
・定着荷重：１０００Ｎ、
・ベルトテンション：軸両端部に２０Ｎずつ、合計４０Ｎ。

ニップ部３８０の面圧の測定は、ニッタ株式会社製、ローラー間圧力分布測定システム ＰＩＮＣＨ Ａ３－４０を用いた。

ピーク面圧は、上記測定器で測定した面圧のうち、最も高い値（すなわちピーク値）のことである。一方、単に面圧とは、上記定着荷重を、ニップ部３８０におけるニップ幅とニップ長さ（ローラー軸方向の長さ）による面積で割った圧力（Ｎ／ｍ^２＝Ｐａ）となる。

面圧と画質の関係を調べる実験は、ピーク面圧を変えて、普通紙とコート紙に同じ画像を印刷してそのときの画質を目視により確認した。ピーク面圧の測定は、上記測定器を用いて静止状態で測定した値である。画像形成（印刷）時の用紙搬送速度は３４０ｍｍ／ｓとした。表１に結果を示す。

表１において、丸印は良好な画質を示し、三角印は紙の変形が一部に発生したり、光沢が高すぎる画質であることを示し、バツ印はトナーブリスタ起因のガサガサの画質であることを示す。また、備考において、オフィス機とはオフィス用途のプリンターであり、ＰＰ機とはプロダクションプリント機のことであり、標準面圧、上限面圧、下限面圧はいずれもピーク面圧である。

表１に示すように、普通紙では、オフィス機標準のピーク面圧である８０ｋＰａから、プロダクションプリント機の上限ピーク面圧である４００ｋＰａまで良好な画質が得られる。しかし、普通紙であっても、プロダクションプリント機の上限面圧を超えるほど高い４１０ｋＰａでは、用紙変形や光沢が高すぎるなどの画質低下が認められる。

一方、コート紙では、１１０ｋＰａ以下では、画像がガサガサになることが確認された。これは、トナーブリスタが発生したときの典型的な画質である。プロダクションプリント機の下限ピーク面圧である１２０ｋＰａから上限ピーク面圧の４００ｋＰａまでは問題のない画質が得られる。さらに高い４１０ｋＰａでは、コート紙でも用紙変形や光沢が高すぎるなどの画質低下が認められる。

以上のことから、良好な画質を得るためピーク面圧は、普通紙で８０～４００ｋＰａ、コート紙で１２０～４００ｋＰａであることがわかった。

（ニップ幅）
次に、ニップ幅について調べた。

発泡体３６１２を上加圧ローラー３６１に用いる利点として、低荷重で広ニップ幅を達成できることがある。用紙への加熱量は速度とニップ幅の掛け合わせで決まる。プロダクションプリント機は、これまでオフィスなどで使用されてきたプリンターよりも画質を向上させるために、用紙上にトナーを多くのせて発色させる。トナー付着量が多いと、用紙へ定着させるためにより多くの加熱量が必要である。またプロダクションプリント機では、高速印刷も求められている。このため速度を上げると、ニップ幅が足りずに、定着不良を起こす可能性がある。そこで、トナー付着量とニップ幅の関係を調べた。

実験装置は上記構成のとおりである。ニップ幅は定着荷重（ニップ部３８０全体の面圧）を上げると広くなり、下げると狭くなる。コート紙に対して異なるトナー量でニップ幅を変えて実験した。トナー量は、オフィス用プリンターに多く使用されているトナー量（表２中オフィス機付着量）と、それより多くのトナーを用いるプロダクションプリント機のトナー量（表２中ＰＰ機付着量）で、同じ画像の印刷を行い、目視により評価した。用紙搬送速度は上記と同じである。結果を表２に示す。

表２において、丸印はトナー剥がれがなく良好な画質であることを示し、三角印は回転トルクが大きくなったことを示し（トナー剥がれなし）、バツ印はトナー剥がれがあることを示す。また、備考において、オフィス機とはオフィス用途のプリンターであり、ＰＰ機とはプロダクションプリント機のことであり、標準幅、上限幅、下限幅はいずれもニップ幅のことである。

表２に示すように、ＰＰ機付着量では、ニップ幅１２～１５ｍｍでは、トナー剥がれが確認された。一方、オフィス機付着量では、ニップ幅１２～１５ｍｍにおいても、トナー剥がれはなかった。ニップ幅を広くすると、ＰＰ機付着量もオフィス機付着量も、ニップ幅１６～３０ｍｍにおいてトナー剥がれはなかった。しかし、オフィス機付着量においては、オフィス用プリンターとしてのトルクより大きなトルクになった。さらにニップ幅を広くすると、ＰＰ機付着量もオフィス機付着量も、ニップ幅３１ｍｍにおいてトナー剥がれはなかったが共に、大きなトルクを必要とするようになった。

これらのことから、オフィス用プリンターまたはプロダクションプリント機でもオフィス用程度のトナー量の場合は、必要なニップ幅は１２～１５、トルクが大きくなってもよい場合は、さらに３０ｍｍまではよいことがわかる。一方、プロダクションプリント機でのトナー量の場合に必要なニップ幅は１６～３０ｍｍとなることがわかった。

（破壊試験）
次に、通常のオフィス用プリンターでは使わないほどの高面圧（ピーク面圧４１０ｋＰａを超える）、広ニップ幅（３１ｍｍを超える）にして、上記実験装置１を駆動した。その結果、上加圧ローラー３６１の発泡体は、目標ライフ（ニップ回数（後述）３５０万回）の約１／４程度で破壊した（下記耐久試験参照）。このとき破壊の様子を観察したところ、芯金３６１１と発泡体３６１２との界面（接着部分）から破壊が進むことがわかった。

（ＣＡＥ解析）
ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）解析で上加圧ローラー３６１の発泡体３６１２の変形を解析した。ＣＡＥ解析は、ＡＮＳＹＳ（アンシス）を用いて、下記の解析条件を設定して行った。

・上加圧ローラー：外径φ５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍ、セル径３０μｍのシリコーンゴム発泡体（ＡｓｋｅｒＣ硬度２５°（シンジーテック株式会社製 スポンジ））、
・下加圧ローラー：外径φ６０ｍｍ、厚さ２ｍｍ、シリコーンゴム、表層ＰＦＡチューブ（ＪＩＳＡ硬度３０゜）、
・ベルト：外径φ９９ｍｍ、７０μｍ厚ポリイミド基体、厚さ２００μｍシリコーンゴム、表層ＰＦＡチューブ、
・定着荷重：１４００Ｎ、
・ベルトテンション：軸両端に２０Ｎずつ、合計４０Ｎ。

解析結果の説明のために、ここで最大せん断ひずみについて説明する。図５および６は、せん断ひずみを説明するための説明図である。

図５は物体の変形前の状態であり、ｘ方向、ｙ方向共に物体は変形していない。この状態ではひずみは発生していない。図６は変形した状態を示しており、ｙ方向下部が固定された状態で、ｙ方向上部がｘ方向に変形している。変形量はΔＬである。このとき、この物体には、ΔＬ／Ｌのせん断ひずみが発生している。なお、Ｌは物体の下端から上端までのｙ方向の長さである。

図７はＣＡＥによる引張力解析の結果である変形量を示すディスプレイ表示された解析図である。

これまで上加圧ローラー３６１に弾性のある発泡体３６１２を用いた場合、下加圧ローラー３６２によって押された上加圧ローラー３６１の発泡体部分が、上につぶれて行くだけと考えていた。しかし、ＣＡＥ解析の結果、図７中の白矢印で示したように、発泡体部分はつぶれるだけでなく、押し出されて横に広がる方向に引張力が作用していることがわかった。

続いて、上記変形によって引き起こされるせん断ひずみの解析を行った。解析はローラーが静止している状態を想定している。図８はＣＡＥによるせん断ひずみ解析の結果である最大弾性せん断ひずみを示すディスプレイ表示された解析図である。

せん断ひずみの解析の結果、図８に示すように、発泡体３６１２の芯金３６１１との界面近傍における最大せん断ひずみが及ぶ範囲は、発泡体３６１２を有する上加圧ローラー３６１の中心から、仮想線分（図８中の一点破線）より上加圧ローラー３６１の回転方向の上流側へ４５°、下流側へ４５°でそれぞれ引いた線分（図８中の実線）の範囲（仮想線分を中心として上流から下流までの９０°の範囲）であることがわかった。

また、この解析の結果、せん断ひずみは発泡体３６１２の中央部（半径方向）だけでなく、発泡体３６１２と芯金３６１１の界面にも大きくたまっていることが判明した。これは、試験装置を使った実験において、芯金界面部分から発泡体３６１２の破壊が進行している観察結果と一致している。そこで、芯金界面の最大せん断ひずみと耐久性を調べた。

（耐久試験）
芯金界面における発泡体３６１２の最大せん断ひずみと耐久性を調べるために下記のように構成を変えた複数の実験装置２を製作して耐久試験を行った。

・上加圧ローラー：シリコーンゴム製の発泡体３６１２でセル径３０μｍを用い、発泡体３６１２の厚さ、硬度（ＡｓｋｅｒＣ）、およびローラー外径は表３のとおり（シンジーテック株式会社製 スポンジ）、
・下加圧ローラー：厚さ２ｍｍ、シリコーンゴム（非発泡）製、表層ＰＦＡチューブ（ＪＩＳＡ硬度３０°）であり、ローラー外径は表３のとおり、
・ベルト：外径φ９９ｍｍ、７０μｍ厚ポリイミド基体、厚さ２００μｍシリコーンゴム、表層ＰＦＡチューブ、
・ピーク面圧が表３の面圧となるように定着荷重を調整、
・ベルトテンション：軸両端部に２０Ｎずつ、合計４０Ｎ。

耐久試験の結果を表３に示す。表３において、軸間距離（ｍｍ）とは、上加圧ローラー３６１中心から下加圧ローラー３６２中心までの距離であり、上述した実施形態において、ローラー位置変更部３７０による下加圧ローラー３６２の位置を変更した。ニップ回数とは、上加圧ローラー３６１表面の一点がニップ部３８０を何回通過したかであり、回転数と同じである。したがって、表３の破壊ニップ回数は、破壊に至るまでのニップ回数（回転数）である。また、表３において、最大せん断ひずみは、シミュレーションにより求めた芯金３６１１と発泡体３６１２との界面から発泡体内部方向に生じるせん断ひずみのうち、上記定義に従って求めた。

この耐久時間とひずみの関係をグラフにまとめた。図９は耐久時間と最大せん断ひずみの関係を示すグラフである。図１０は最大せん断ひずみと面圧の関係を示すグラフである。いずれも静止状態における解析結果の値である。

これらの結果から、目標ニップ回数（耐久性の目標値）を３５０万回とすると、比較例１では界面付近の最大せん断ひずみが０．５４であり、目標ニップ回数の約１／４程度となっている。さらに比較例２および３のとおり、芯金界面付近の最大せん断ひずみを小さくしていくことで耐久性が改善していくことがわかる。そして、最大せん断ひずみ０．５０以下になる実施例１では、目標値を超えるニップ回数となっている。

また、ひずみと面圧の関係では、たとえば、普通紙を利用する場合のピーク面圧上限の１００ｋＰａでは、最大せん断ひずみが０．３程度と低い値となる。一方、コート紙のピーク面圧の下限である１２０ｋＰａ以上にする場合は、最大せん断ひずみが０．３１以上となる。

このことから、普通紙を使用する場合は、普通紙のピーク面圧の上限で利用しても耐久性が非常に高くなることがわかる。またコート紙を使用する場合は、コート紙の面圧と耐久試験を結果から最大せん断ひずみを０．３１～０．５０の間で使用することが好ましいことがわかる。

また、耐久試験の結果から、最大せん断ひずみは、ローラー径、発泡体３６１２の硬さ、発泡体３６１２の厚さなどの発泡体３６１２の特性が違っていても、ピーク面圧を変えることで調整可能であることがわかる。また、逆に、発泡体３６１２の特性やローラー径の様な機械的構成を変えることでも、最大せん断ひずみを調整できることがわかる。

したがって、定着装置の耐久性を上げるためには、最大せん断ひずみを、印刷媒体の種類、すなわち、普通紙か、コート紙かの違いによって変えることである。最大せん断ひずみとなるようにするためには、使用する印刷媒体の種類に応じてピーク面圧を変える。普通紙の場合は、既に説明したように、面圧が高くなっても画質に影響はないので、最大せん断ひずみが０．５０以下となるようにすればよい。しかし、より耐久性を上げるためには、普通紙に対する定着性能が十分な面圧とすればよいので、最大せん断ひずみが０．３１未満となるようにすることが好ましい。一方、コート紙の場合は、最大せん断ひずみが０．３１～０．５０とする。このためには、既に実施形態において説明したとおり、ローラー位置変更部３７０を備えることである。

最大せん断ひずみの調整はピーク面圧の制御だけでなく、設計段階で設定するようにしてもよい。たとえば、ピーク面圧が８０～４００ｋＰａのときに、最大せん断ひずみが０．５以下の値となるように、ローラー径、発泡体３６１２の硬さ、発泡体３６１２の厚さなどを設計する。

以上説明した実施形態および実施例によれば以下の効果を奏する。

実施形態および実施例では、定着装置に芯金３６１１と発泡体３６１２からなる上加圧ローラー３６１（第１加圧ローラー）を用いている。そしてこの芯金３６１１と発泡体３６１２の界面から発泡体３６１２内に生じる最大せん断ひずみがあらかじめ決められた範囲となるように、印刷媒体の種類、たとえば、普通紙か、コート紙かの違いに応じてニップ部３８０のピーク面圧を変更できるようにした。これにより、発泡体３６１２を用いているローラーの寿命を長くすることができ、定着装置耐久性を向上させることができる。

以上本発明を適用した実施形態および実施例を説明したが、本発明は、これら実施形態や実施例に限定されるものではない。

上記実施形態および実施例では、装置構成として、上加圧ローラー３６１（第１加圧ローラー）を芯金３６１１とそれを覆う発泡体３６１２を有するローラーとしたが、これに代えて下加圧ローラー３６２（第２加圧ローラー）を芯金３６１１とそれを覆う発泡体３６１２を有するローラーとしてもよい。これは、ニップ部３８０にかかる面圧は、上加圧ローラー３６１と下加圧ローラー３６２との間にかかる圧力である。このことから、下加圧ローラー３６２に発泡体３６１２を用いる構成とした場合にも、既に説明した実施形態や実施例同様に、ピーク面圧が８０～４００ｋＰａのときに、最大せん断ひずみが０．５以下の値となるように、ピーク面圧を可変とすることで、耐久性を上げることができる。

また、本実施形態は、実施例における実験結果から、ピーク面圧が８０～４００ｋＰａのときに、最大せん断ひずみが０．５以下の値となるようにすることが好ましいものとして説明した。しかし、この最大せん断ひずみの値は目標とする耐久性（ニップ回数）に応じて適宜設定すればよい。たとえば、耐久性をより高めたい場合は、最大せん断ひずみが０．５より低い値、たとえば０．４５以下、さらには０．４０以下となるようにし、逆に耐久性は若干劣ってもより高圧で定着したいような場合は、最大せん断ひずみが０．５を超える値、たとえば０．５２以下とするなどである。もちろんこれらの値はあくまでも一例であり、あらかじめ決めた最大せん断ひずみの範囲となるようにピーク面圧の調整のために、下加圧ローラー（第２加圧ローラー）の位置を調整すればよい。

また、本発明は、実施形態で示したプロダクションプリント機のような画像形成システムだけでなく、画像形成部と、定着部（定着装置）とを有する画像形成装置であれば適用可能である。

そのほか、本発明は特許請求の範囲に記載された構成に基づき様々な改変が可能であり、それらについても本発明の範疇である。

１０ 制御部、
２０ 記憶部、
３０ 画像形成部、
３６ 定着部、
４０ 給紙搬送部、
４１ 給紙トレイ、
５０ 操作表示部、
１００ 画像形成システム、
１０１ 画像形成装置、
１０２ 読取装置、
１０３ 後処理装置、
１０４ 給紙装置、
３６０ 加熱ローラー、
３６１ 上加圧ローラー、
３６２ 下加圧ローラー、
３６４ ベルト、
３７０ ローラー位置変更部、
３７１ カム、
３７２ 保持部材、
３７３ 弾性材、
３７４ モーター、
３８０ ニップ部、
３６０１ ヒーター、
３６１１ 芯金、
３６１２ 発泡体、
３６２１ 軸、
３６２２ 回転体、
３６２３ 弾性体。

Claims (8)

1. 第１加圧ローラーと、
   前記第１加圧ローラーに掛けられているベルトと、
   前記ベルトを介して前記第１加圧ローラーと対向して配置され、前記ベルトとの間で定着ニップ部を形成する第２加圧ローラーと、
   前記第２加圧ローラーの位置を変更するローラー位置変更部と、を有し、
   前記第１加圧ローラーおよび前記第２加圧ローラーのいずれか一方は、芯金と前記芯金を覆う発泡体を有するローラーであり、
   前記ローラー位置変更部は、前記芯金と前記発泡体の界面から前記発泡体内に生じる最大せん断ひずみがあらかじめ決められた範囲となるように、印刷媒体が普通紙かコート紙かに応じて前記定着ニップ部のピーク面圧を変更できるように前記第２加圧ローラーの位置を変更し、前記コート紙の場合のピーク面圧は、前記普通紙の場合にとりうるピーク面圧範囲内において設定可能である、定着装置。
2. 前記最大せん断ひずみは、０．５０以下である、請求項１に記載の定着装置。
3. 前記定着ニップ部の幅は１６～３０ｍｍである、請求項１または２に記載の定着装置。
4. 前記最大せん断ひずみの発生する範囲は、
   前記第１加圧ローラーの回転中心から前記第２加圧ローラーの回転中心を結ぶ線を仮想線分とし、前記発泡体を有するローラーの中心から、前記仮想線分よりローラー回転方向の上流側へ４５°、下流側へ４５°でそれぞれ引いた線分の範囲である、請求項１～３のいずれか１つに記載の定着装置。
5. 前記発泡体は、セル径が１～５０μｍの連続気泡を有する、請求項１～４のいずれか１つに記載の定着装置。
6. 前記発泡体は、前記界面からローラー表面までの前記発泡体の厚さが１０～３０ｍｍである、請求項１～５のいずれか１つに記載の定着装置。
7. 前記第１加圧ローラーおよび前記第２加圧ローラーの外径は５０～７０ｍｍである、請求項１～６のいずれか１つに記載の定着装置。
8. 印刷媒体にトナー画像を形成する画像形成部と、
   前記画像形成部によって形成されたトナー画像を前記印刷媒体に定着させる、請求項１～７のいずれか１つに記載の定着装置と、
   を有する、画像形成装置。

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