JP2010107598A - 定着装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 弾性層の内面付近における応力を分散することにより，弾性層の疲労蓄積を防止した定着装置およびそれを用いた画像形成装置を提供すること。
【解決手段】 定着装置１の加圧ローラ１０に，加圧ローラ１０の回転上流側および回転下流側の位置に，加圧ローラ１０の弾性層１２を押圧するように補助ローラ５１，５２を設ける。加熱ローラ２０の中心と加圧ローラ１０の中心とを結ぶ直線Ｌと，補助ローラ５１，５２の中心と加圧ローラ１０の中心とを結ぶ直線Ｍ，Ｎとがなす角の角度を，３０°以上６０°以下の範囲内とする。
【選択図】図２

Description

本発明は，一対のローラを有し，それらのニップ部にトナー像を担持するシートを通過させることにより，トナー像をシート上に定着する定着装置，および，その定着装置を有する画像形成装置に関する。さらに詳細には，ニップ部におけるローラの弾性層の応力集中の緩和を図った定着装置および画像形成装置に関するものである。

従来から，電子写真方式の画像形成装置では，シート上に担持されているトナー像を定着装置によって定着することにより，シートに画像が形成される。この定着装置として，定着ローラと加圧ローラとの２つのローラの間に形成されるニップにシートを通し，通過中のシートを加熱するとともに加圧するものが知られている（例えば特許文献１）。

この種の定着装置における２つのローラには，加圧のための荷重が掛けられている。このためローラの弾性層は，回転とともにニップ部にて変形し，ニップ部を脱出すると変形した状態から回復する。このようにローラの弾性層は，加熱された状態で変形を反復するのである。このため，ローラの弾性層のゴム材は，熱負荷と応力負荷の反復とに常時さらされているのである。これにより，ゴムの弾性が低下して永久歪みを生じたり，疲労の蓄積により脆化して破損に至ることがある。これが，定着装置の耐久性の問題である。

この問題に対する従来の対策としては，ゴムの種類の選択や添加剤による耐久寿命の長期化が行われている。また，特許文献１では，温度均一化ローラなるものを定着ローラに押し当てて，定着ローラの軸方向での温度分布の均一化を図っている。これにより，小サイズ紙使用時の通紙範囲外における過昇温を防止して，熱負荷の抑制を図っている。
特開２００２−１７４９７４号公報

しかしながら，上記の従来の技術でもまだ問題があった。弾性層の内面付近における破損がなかなか防止できないのである。弾性体同士の接触により生ずる応力が分散されず，剛性のある芯金と接触する内面付近に応力が集中しやすいためである。このために，弾性層の内面付近に疲労がより強く蓄積し，破損に至るのである。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，弾性層の内面付近における応力を分散することにより，弾性層の疲労蓄積を防止した定着装置およびそれを用いた画像形成装置を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の定着装置は，ローラ対を有し，未定着のトナー像を担持するシートをローラ対の間に通すことでトナー像を媒体上に定着する定着装置において，ローラ対の少なくとも一方のローラが，硬質芯部材とその周囲の弾性層とを有し，弾性層を，ローラ対のニップ箇所の入り口側または出口側の位置で押圧する押圧部材を有するものである。かかる定着装置は，ローラ対の弾性層における応力の集中を低減させることができる。これにより，寿命の長い定着装置が実現されている。

上記に記載の定着装置において，押圧部材の中心と一方のローラの中心とを結ぶ線と，一方のローラの中心とローラ対における他方のローラの中心とを結ぶ線とがなす角の角度が，３０°以上６０°以下の範囲内にあるとよい。押圧部材をこの範囲内に配置すれば，同様の効果を奏するからである。

上記に記載の定着装置において，ローラ対のニップ箇所の入り口側および出口側の双方の位置にそれぞれ押圧部材を有するとなおよい。ローラ対のニップ箇所の入り口側および出口側の内部付近に発生する応力を，より分散させることができるからである。

本発明は，本発明の定着装置と，シート上に未定着のトナー像を形成して定着装置へ出力する画像形成部とを有する画像形成装置にも及ぶ。

本発明によれば，弾性層の内面付近における応力を分散することにより，弾性層の疲労蓄積を防止した定着装置およびそれを用いた画像形成装置が提供されている。

以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，電子写真方式の画像形成装置およびそれらに用いられる定着装置である。

本形態の画像形成装置１００は，図１に概略構成を示すように，中間転写ベルト１０１を有する，いわゆるタンデム方式のカラープリンタである。中間転写ベルト１０１は，無端状ベルト部材であり，その図中両端部がローラ１０２，１０３によって支持され，図中矢印Ａの向きに回転するようになっている。中間転写ベルト１０１の図中下部に沿って，イエロー（Ｙ），マゼンタ（Ｍ），シアン（Ｃ），ブラック（Ｋ）の各色の画像形成部１０４Ｙ，１０４Ｍ，１０４Ｃ，１０４Ｋが配置されている。

各色の画像形成部１０４Ｙ，１０４Ｍ，１０４Ｃ，１０４Ｋはいずれも同様の構成である。それぞれ，感光体ドラム１０６とその周囲に配置された帯電装置１０７，露光装置１０８，現像装置１０９，クリーナ装置１１０を有している。また，中間転写ベルト１０１を挟んで感光体ドラム１０６に対向する位置に，１次転写装置１１１が配置されている。図１中では画像形成部１０４Ｙによって代表して示している。

図１中で下方に示すのは，用紙Ｐを収容する給紙装置１１２である。給紙装置１１２の上部には，用紙Ｐを送り出す給紙ローラ１１３が設けられている。用紙Ｐは，給紙装置１１２から搬送経路１１４に沿って上方へ送られる。搬送経路１１４を挟んで，ローラ１０３と対面する位置に，２次転写装置１１５が配置されている。さらにその下流側（図中上方）には，定着装置１が配置されている。定着装置１は，加熱ローラ２０，加圧ローラ１０のローラ対と，補助ローラ５１，５２とを有している。定着装置１については，後に詳述する。定着装置１より搬送経路１１４のさらに下流側には，排紙ローラ１１６および排紙トレイ１１７が配置されている。

次に，本形態の画像形成装置１００の基本的な動作を簡単に説明する。この画像形成装置１００は，画像形成の指示を受けると，その画像信号から各色の画像データを生成する。生成された各色の画像データは，対応する画像形成部１０４Ｙ，１０４Ｍ，１０４Ｃ，１０４Ｋにそれぞれ送出される。各色の画像形成部１０４Ｙ，１０４Ｍ，１０４Ｃ，１０４Ｋは，画像データに基づいて，それぞれの感光体ドラム１０６を帯電・露光して静電潜像を形成する。さらに，形成された静電潜像を現像してトナー像を形成する。

形成されたトナー像は，順次，１次転写装置１１１によって中間転写ベルト１０１に転写され，重ね合わせられる。中間転写ベルト１０１に重ね合わせられたトナー像は，２次転写装置１１５によって用紙Ｐに転写される。トナー像を担持した用紙Ｐは，さらに搬送されて定着装置１に至り，定着装置１によって加熱されるとともに加圧される。これによりトナー像が用紙Ｐに定着される。トナー像が定着された用紙Ｐは，排紙ローラ１１６によって排紙トレイ１１７に排出される。以上が，画像形成装置１００の基本的な動作である。

本形態の定着装置１について図２により説明する。まず，定着装置１の回転停止時について説明する。前述したように，定着装置１は，加熱ローラ２０，加圧ローラ１０のローラ対と，補助ローラ５１，５２とを有している。加熱ローラ２０は，芯金２１と，弾性層２２と，ヒータ２３とを有している。弾性層２２は，加熱ローラ２０の外周部にあり，芯金２１およびヒータ２３は，弾性層２２の内側にある。加圧ローラ１０は，芯金１１と，弾性層１２とを有する中実ローラである。弾性層１２は，加圧ローラ１０の外周部にあり，芯金１１は，弾性層１２の内側にある。そして，芯金１１，２１は，硬質芯部材である。また，加熱ローラ２０および加圧ローラ１０は互いに接しており，その接触箇所の中心点１８を中心とするニップ部を形成している。

補助ローラ５１，５２は，加圧ローラ１０を押圧するための押圧部材である。補助ローラ５１は，加圧ローラ１０の回転上流側の位置，すなわちニップ部の箇所の入り口側の位置に，加圧ローラ１０を押圧するように固定した状態で配置されている。よって，補助ローラ５１は，加圧ローラ１０の弾性層１２に食い込んでいる。その食い込み量は０．７ｍｍである。このため，補助ローラ５１は，加圧ローラ１０の回転時に，加圧ローラ１０に従動して回転するものである。また，補助ローラ５１は，金属製の中実ローラである。

補助ローラ５２は，補助ローラ５１と，取り付け位置のみ異なるものである。補助ローラ５２は，加圧ローラ１０の回転下流側の位置，すなわちニップ部の箇所の出口側の位置に，加圧ローラ１０を押圧するように固定した状態で配置されている。よって，補助ローラ５２は，加圧ローラ１０の弾性層１２に食い込んでいる。その食い込み量は０．７ｍｍである。また，補助ローラ５１，５２は，加圧ローラ１０の中心と加熱ローラ２０の中心とを結ぶ直線Ｌに対して対称に配置されている。

そして，直線Ｌと，補助ローラ５１の中心と加圧ローラ１０の中心とを結ぶ直線Ｍとがなす角の角度は，４５°である。同様に，直線Ｌと，補助ローラ５２の中心と加圧ローラ１０の中心とを結ぶ直線Ｎとがなす角の角度は，４５°である。また，本形態の加圧ローラ１０の最大歪みは，補助ローラ５１，５２のない場合に比べて小さい。最大歪みの箇所における応力が分散されるためである。なぜならば，加熱ローラ２０が加圧ローラ１０を押圧する方向とは異なる方向から，補助ローラ５１，５２が，加圧ローラ１０の弾性層１２を押圧しているからである。

なお，この直線Ｌと直線Ｍとがなす角の角度は４５°に限らず，３０°以上６０°以下の範囲内で選択することができる。ただし，直線Ｌと直線Ｍとがなす角の角度が小さすぎると，補助ローラ５１が中心点１８に近すぎて通紙の邪魔となる。逆に，直線Ｌと直線Ｍとがなす角の角度が大きすぎると，最大歪みの箇所の近傍に補助ローラ５１からの応力が効果的に伝わらず，最大歪みの箇所における応力を緩和することができない。また，補助ローラ５２の位置についても同様である。

次に，加熱ローラ２０及び加圧ローラ１０の回転時について説明する。加熱ローラ２０及び加圧ローラ１０は，それぞれ図２中の矢印の向きに回転するものである。補助ローラ５１，５２は，加圧ローラ１０に押圧されているので，加圧ローラ１０にならって回転する。そして，補助ローラ５１，５２は，回転時においても加圧ローラ１０の弾性層１２に食い込んでいる。このため回転停止時と同様に，加圧ローラ１０の最大歪みは，補助ローラ５１，５２のない場合に比べて小さい。補助ローラ５１，５２が加圧ローラ１０を押圧することにより，弾性層１２の内部に発生する応力が分散されるためである。なお，補助ローラ５１，５２が，用紙の搬送の邪魔となることはない。

ここで，本形態の定着装置１と従来の定着装置との比較について説明する。図３は，加圧ローラ１０の弾性層１２の変形量を説明する図である。本形態の定着装置１と従来の定着装置とにおける弾性層１２の変形量の比較を，図中の破線および実線の四辺形により説明する。図３中の四辺形４１，４３は，それぞれ補助ローラ５１の食い込みのない場合と，ある場合とでの変形の程度の違いを示すために仮想的に描いたものである。つまり，補助ローラ５１の食い込みのない場合に四辺形４１の形状だった箇所が，補助ローラ５１の食い込みにより，四辺形４３の形状となるのである。また，四辺形４１，４３は，接触箇所の中心点１８より回転方向（矢印Ｂ）の上流側の位置にある。同様に，四辺形４２，４４は，それぞれ補助ローラ５２の食い込みのない場合と，ある場合とでの変形の程度の違いを表すものである。つまり，補助ローラ５２の食い込みのない場合に四辺形４２の形状だった箇所が，補助ローラ５２の食い込みにより，四辺形４４の形状となるのである。また，四辺形４２，４４は，接触箇所の中心点１８より回転方向の下流側の位置にある。

補助ローラ５１，５２がない場合（従来）について説明する。加圧ローラ１０の弾性層１２は，加熱ローラ２０に押圧されて歪んでいる。このとき，加熱ローラ２０のもたらす応力は，２方向に働く。つまり，中心点１８から図中下に向かう方向，すなわち矢印Ｃと逆向きの方向と，中心点１８から図中上に向かう方向，すなわち矢印Ｄと逆向きの方向とである。よって，四辺形４１は，矢印Ｃと逆向きの応力を受けて変形している。同様に，四辺形４２は，矢印Ｄと逆向きの応力を受けて変形している。

次に，補助ローラ５１，５２がある場合（本発明）について説明する。前述したように，補助ローラ５１，５２は，加圧ローラ１０の弾性層１２に食い込んでいる。よって，弾性層１２は，加熱ローラ２０と，補助ローラ５１，５２とにより３方向から押圧されていることとなる。そのため，四辺形４１であった箇所は，四辺形４３の形状にさらに変形する。補助ローラ５１が加圧ローラ１０の弾性層１２を押圧することにより，四辺形４１であった箇所に矢印Ｃの向きの応力がさらに加わるためである。一方，四辺形４２であった箇所は，四辺形４４の形状にさらに変形する。補助ローラ５２が加圧ローラ１０の弾性層１２を押圧することにより，四辺形４３であった箇所に矢印Ｄの向きの応力がさらに加わるためである。

ここで，本形態の定着装置および従来の定着装置の歪みをシミュレーションした結果について説明する。図４は，従来の定着装置の歪みについて，加熱ローラおよび加圧ローラの各地点の歪み量について示したものである。図中左側が加熱ローラであり，右側が加圧ローラである。加圧ローラの弾性層のほうが，加熱ローラの弾性層よりもやや硬い材質を想定している。このため，ニップ部において，加熱ローラの凹みのほうが加圧ローラの凹みに比べて大きくなっている。図５は，本形態の定着装置の歪みについて，加熱ローラおよび加圧ローラの各地点の歪み量について示したものである。図中左側が加熱ローラであり，右側が加圧ローラである。このとき，補助ローラが加圧ローラに食い込んでいる食い込み量は，０．７ｍｍである。

図４及び図５において，ドットでハッチングされた領域６１は，圧縮応力が一定値以上の領域である。スラッシュでハッチングされた領域６２は，引張応力が一定値以上の領域である。すなわち，ドットでハッチングされた領域６１とスラッシュでハッチングされた領域６２とは，反対の応力がかかっていることを示している。図中黒丸で示した箇所は，歪みが最大値となる箇所６３であり，スラッシュでハッチングされた領域６２の内部にある。弾性層の破壊の原因となるのは，歪みの最大値の大きさである。図４と図５とを比較すると，スラッシュでハッチングされた領域６２の面積は，図５の定着装置（本発明）のほうが広い。しかし，応力負荷を低減するためには，スラッシュでハッチングされた領域６２の面積を小さくするよりも，歪みが最大値となる箇所６３の歪みを小さくすることのほうが重要である。応力の一点集中が緩和されるためである。シミュレーションの結果，歪みの最大値の大きさは，本発明の定着装置のほうが１０％程度小さかった。よって，本形態の定着装置のほうが，従来の定着装置に比べて耐久性に優れている。

ここで，本発明の定着装置およびそれを用いた画像形成装置の変形例について説明する。本形態では，加熱ローラ２０，加圧ローラ１０のローラ対のニップ部の入り口側に補助ローラ５１を，出口側に補助ローラ５２を設けた。しかし，入り口側のみ，もしくは出口側のみに補助ローラを設けても構わない。それでも，補助ローラ５１，５２が双方ともない場合に比べれば応力が分散されるからである。

以上詳細に説明したように，本発明に係る定着装置１は，加圧ローラ１０を押圧する補助ローラ５１，５２を設けたものである。そして，補助ローラ５１，５２が加圧ローラ１０の弾性層１２を押圧するため，弾性層１２は，加熱ローラ２０とは異なる方向からの応力を受ける。このため，加圧ローラ１０の弾性層１２のうちの一点に応力が集中することはない。これにより，加圧ローラ１０の弾性層１２の内面付近における歪みを低減し，耐久寿命の長い定着装置１およびそれを用いた画像形成装置１００が実現されている。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，押圧部材を加圧ローラ１０に対して設けたが，加熱ローラ２０に設けてもよい。また，押圧部材として，補助ローラ５１，５２を用いたが，加圧ローラ１０を押圧するとともに加圧ローラ１０の回転を妨げないものであればその他のものでも構わない。補助ローラ５１，５２は，その表面にゴム等の弾性層を有するものであってもよい。補助ローラ５１と補助ローラ５２は，取り付け位置のみ異なる同一のローラとしたが，材質等異なるものを用いてもよい。

また，補助ローラ５１と補助ローラ５２とは，ローラ対の中心線に対して対称の位置に取り付けたが，非対称の位置に取り付けるようにしてもよい。また，補助ローラ５１，５２は，中実ローラでなく中空ローラであってもよい。加圧ローラ１０も，中実ローラでなく中空ローラであってもよい。また，補助ローラ５１，５２は加圧ローラ１０に０．７ｍｍ食い込んでいるとしたが，その食い込み量として異なる値を用いても構わない。弾性層における応力集中を防止することに変わりないからである。

本発明に係る画像形成装置を説明するための概略図である。 本発明に係る定着装置を説明するための断面図である。 本発明の加圧ローラの弾性層に発生する歪みを説明するための図である。 従来の加圧ローラにおける歪みの分布を示す図である。 本発明の加圧ローラにおける歪みの分布を示す図である。

符号の説明

１…定着装置
１０…加圧ローラ
１１…芯金
１２…弾性層
２０…加熱ローラ
２１…芯金
２２…弾性層
５１，５２…補助ローラ
１００…画像形成装置

Claims (4)

1. ローラ対を有し，未定着のトナー像を担持するシートを前記ローラ対の間に通すことでトナー像を媒体上に定着する定着装置において，
   前記ローラ対の少なくとも一方のローラが，硬質芯部材とその周囲の弾性層とを有し， 前記弾性層を，前記ローラ対のニップ箇所の入り口側または出口側の位置で押圧する押圧部材を有することを特徴とする定着装置。
2. 請求項１に記載の定着装置において，
   前記押圧部材の中心と前記一方のローラの中心とを結ぶ線と，
   前記一方のローラの中心と前記ローラ対における他方のローラの中心とを結ぶ線とがなす角の角度が，３０°以上６０°以下の範囲内にあることを特徴とする定着装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の定着装置において，
   前記ローラ対のニップ箇所の入り口側および出口側の双方の位置にそれぞれ前記押圧部材を有することを特徴とする定着装置。
4. ローラ対を有し，未定着のトナー像を担持するシートを前記ローラ対の間に通すことでトナー像を媒体上に定着する定着装置と，シート上に未定着のトナー像を形成して前記定着装置へ出力する画像形成部とを有する画像形成装置において，
   前記ローラ対の少なくとも一方のローラが，硬質芯部材とその周囲の弾性層とを有し， 前記弾性層を，前記ローラ対のニップ箇所の入り口側または出口側の位置で押圧する押圧部材を有することを特徴とする画像形成装置。

Images