JP2019028273A - 定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑剤の保持量増加と耐摩耗性向上を両立することが出来るフィルム体を備えた定着装置を提供する。【解決手段】少なくとも表層、基層、内面層を備えるフィルム体と、前記フィルム体と圧接してニップ部を形成する加圧ローラと、前記加圧ローラを回転させる駆動手段と、を有し、前記加圧ローラを回転させることによって前記フィルムを従動回転させるとともに、記録材を前記ニップ部で挟持搬送し加熱加圧する定着装置において、前記内面層が多孔質形状を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、複合機、複写機、プリンタ、ファックス等の画像形成装置に搭載可能な定着装置に関する。

複写機やプリンタ等の画像形成装置に用いる定着装置として、クイックスタートや省エネルギーの観点で有利なフィルム加熱方式の定着装置が用いられることがある。 上記の定着装置は、耐熱性フィルム（以下「フィルム」）と、ヒータと、ヒータの保持とニップ部近傍でのフィルム挙動制御のためのフィルムガイドと、フィルムを介してヒータと共にニップ部を形成する加圧部材と、を有する。そのニップ部で未定着トナー像を担持した記録材を搬送しながら加熱することによって、トナー像を記録材に定着させる。

このフィルム加熱方式においては、フィルムとヒータとの摩擦を軽減する目的で潤滑剤を用いることがある。潤滑剤はフィルムとヒータの摺動部を過不足なく通過する必要がある。すなわち、ヒータとフィルムの摺動部の摩擦低減に必要な分の潤滑剤が、摺動部内外で循環しつつ一定の量が維持されるのが望ましい。

滞留などにより摺動部の潤滑剤が余剰になると、潤滑剤による抵抗に起因するフィルムの回転むらや、潤滑剤の熱抵抗に起因する画像むらが発生する。また、摺動部の潤滑剤が不足すると、ヒータとフィルムの摩擦むらによる異常音や、フィルム内面の摩耗が発生することがあるからである。

摺動部の潤滑剤の不足を低減するために、ヒータの摺動部にあたる表面層をフッ素を含有する多孔質状の材料とすることで、表面層の表面エネルギーが前記潤滑剤の表面張力よりも大きくなるように形成して潤滑剤を安定に保持しやすくする事例が挙げられる（特許文献１）。

特開２０１０−２６４８９号公報

しかしながら、特許文献１に示されるフッ素材料は、例えばポリイミド等の樹脂に対して耐摩耗性の観点では劣るため、摺動部での使用は控えたい。また、ヒータ面に多孔質状の材料を用いると、面積が狭いため、潤滑剤の保持量は制限される。

本発明の目的は、潤滑剤の保持量増加と耐摩耗性向上を両立することが出来るフィルム体を備えた定着装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係る定着装置は、少なくとも表層、基層、内面層を備えるフィルム体と、前記フィルム体と圧接してニップ部を形成する加圧ローラと、前記加圧ローラを回転させる駆動手段と、を有し、前記加圧ローラを回転させることによって前記フィルムを従動回転させるとともに、記録材を前記ニップ部で挟持搬送し加熱加圧する定着装置において、前記内面層が多孔質形状を有することを特徴とする。

本発明によれば、潤滑剤の保持量増加と耐摩耗性向上を両立することが出来るフィルム体を備えた定着装置を提供することが出来る。

第１の実施形態における画像形成装置の模式図である。 第１の実施形態における定着装置の模式図である。 第１の実施形態における定着フィルムの模式図である。 定着フィルムの内面層にポリイミド前駆体を塗布するためのリングコート法の説明図である。

以下に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例（実施形態）を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

（第１の実施形態）
（画像形成装置）
図１は、本実施形態の画像形成装置の一例であるカラー電子写真プリンタの断面図であり、シートの搬送方向に沿った断面図である。本実施形態では、カラー電子写真プリンタを単に「プリンタ」という。

図１に示すプリンタは、Ｙ（イエロ）、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）、Ｂｋ（ブラック）の各色の画像形成部１０を備えている。感光ドラム１１は、帯電器１２によってあらかじめ帯電される。その後、感光ドラム１１は、レーザスキャナ１３によって、潜像を形成されている。潜像は、現像器１４によってトナー像になる。感光ドラム１１のトナー像は、一次転写ブレード１７によって、像担持体である例えば中間転写フィルム３１に順次転写される。転写後、感光ドラム１１に残ったトナーは、クリーナ１５によって除去される。この結果、感光ドラム１１の表面は、清浄になり、次の画像形成に備える。

一方、シートＰは、給紙カセット２０、又はマルチ給紙トレイ２５から、１枚ずつ送り出されてレジストローラ対２３に送り込まれる。レジストローラ対２３は、シートＰを一旦受け止めて、シートが斜行している場合、真っ直ぐに直す。そして、レジストローラ対２３は、中間転写フィルム３１上のトナー像と同期を取って、シートを中間転写フィルム３１と二次転写ローラ３５との間に送り込む。中間転写フィルム上のカラーのトナー像は、転写体である例えば二次転写ローラ３５によってシートＰに転写される。その後、シートのトナー像は、シートが定着器４０によって、加熱加圧されることでシートに定着される。

（定着装置）
次に、本実施形態に係る定着装置について説明する。図２は、定着装置４０の概略構成図で、図示されるようなフィルム加熱方式の加熱装置（テンションレスタイプ）を用いた。本実施形態ではこのような加熱装置を用いたが、ローラ対方式ややフィルム方式の加熱装置でも実施可能である。

４３は、加熱体としてのとしてのセラミックヒーター（以下、ヒータと記す）である。このヒータ４３は図面に垂直方向を長手とする細長薄板状のセラミック基板と、この基板面に具備させた通電発熱抵抗体層を基本構成とするもので、発熱抵抗体層に対する通電により全体に急峻な立ち上がり特性で昇温する、低熱容量のヒータである。また、記録材の長手幅サイズに応じて、通電領域を切り替える構成となっている。

４１は熱を伝達する加熱部材としての円筒状（エンドレス）の耐熱性の定着フィルムであり、上記のヒータ４３を含む支持部材にルーズに外嵌させてある。本実施形態における定着フィルム４１は図３に示すとおりであり、表層、弾性層、基層、内面層の４層複合構造を有した定着フィルムである。

なお、本実施形態では弾性層を有する定着フィルムに関する実施形態について説明するが、弾性層を有さない定着フィルムに関しても利用することは可能である。

離型層４１ａは厚さ１００μｍ以下、好ましくは２０〜７０μｍのフッ素樹脂材料を使用できる。たとえば、例えばフッ素樹脂層としては、例えばＰＴＦＥ、ＦＥＰ、ＰＦＡなどが挙げられる。本実施形態では、厚さ３０μｍのＰＦＡチューブを用いた。

弾性層４１ｂは、熱容量を小さくしてクイックスタート製を向上させるために、厚さとしては１０００μｍ以下、好ましくは５００μｍ以下のゴム材料を使用できる。例えば、シリコーンゴム、フッ素ゴム等が挙げられる。ゴム硬度１０度（ＪＩＳ−Ａ）、熱伝導率１．３Ｗ／ｍ・Ｋ、厚さ３００μｍのシリコーンゴムを用いた。

基層４１ｃも弾性層と同様にクイックスタート性を向上させるために、厚さとして１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下２０μｍ以上の耐熱性材料を使用できる。例えば、ＳＵＳ、ニッケルなどの金属フィルムを使用できる。ポリイミド等の耐熱樹脂を使用することもできる。本実施形態では、厚さが３０μｍ、直径が２５ｍｍ、長手長さが３３０ｍｍの円筒状ニッケル金属フィルムを用いた。

内面層４１ｄは、ヒータと接しているため耐熱性を持つ樹脂層を使用できる。例えば、ポリイミド、ポリイミドアミド、ＰＥＥＫ、ポリ四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、四フッ化エチレン／六フッ化プロピレン共重合体樹脂（ＦＥＰ）、四フッ化エチレン／パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂（ＰＦＡ）などのエンジニアリングプラスティックなどが挙げられる。本実施形態では、ポリイミド樹脂を用いるが、ポリイミドは、芳香族テトラカルボン酸二無水物或いはその誘導体と、芳香族ジアミンとの略等モルを有機極性溶媒中で反応させて得られるポリイミド前駆体溶液を、基層４１ｃの内周面に塗布、乾燥、加熱し、脱水閉環反応により形成される。

塗工方法はリングコート法等の方法が可能である。図４はリングコート法の塗工装置の概略図である。基盤２１上に支柱２０１、２０２が形成されている。塗工ヘッド２２は、支柱２０１上に塗工ヘッド２２が固定されており、塗工液供給装置が接続（不図示）されている。

支柱２０２には、円筒状基体２４を保持するワークハンド２５がワーク移動装置２６形成されている。支柱２０２上に設けられたモータによりワーク移動装置２６は、上下に移動することができ、ワーク移動装置の形成されたワークハンド２５もワーク移動装置２６の移動により上下に移動することができる。

塗工ヘッド２２の外周囲に円柱の軸と直行するスリット（不図示）が形成されており、該スリット部から均等に異方性フィラーを配合したポリイミド前駆体溶液２３が供給され、基層４１ｃを塗工ヘッド２２の外周に沿って移動させ、基層４１ｃの内面の塗工を行なう。この装置において、摺動層の厚みは塗布量によって決定し、クリアランス、ポリイミド前駆体溶液２３の供給速度、ワーク移動装置２６の移動速度を変更することで任意の塗布量を得ることができる。

塗工後は、内面塗工された基層４１ｃを、熱風循環路を用いて乾燥、焼成することで、脱水閉環反応によりポリイミド内面層４１ｄを形成することができる。上記の疲労強度を下げない温度範囲とは、基層４１ｃの材料に寄っても異なるが、例えばニッケルであれば３５０℃程度となるし、ＳＵＳであれば４００℃以上の温度で焼成してもよい。詳細な乾燥、焼成に関しては後述する。

４４は加圧部材としての耐熱性弾性加圧ローラであり、芯金と、シリコーンゴムやフッ素ゴム等の耐熱ゴム、あるいはシリコーンゴムの発泡体からなる弾性層からなり、芯金の両端部を回転自由に軸受け支持させて配設してある。この加圧ローラ４４の上側に上記の定着フィルム４１・ヒータ４３を、ヒータ４３側に対して加圧ローラ４４に並行に配置し、不図示の押付部材で押圧させることで、定着フィルム４１を介してヒータ４３の下面と加圧ローラ４４の上面にローラ弾性層の弾性に抗して圧接させて加熱部としての所定幅の定着ニップ部Ｔを形成させてある。

加圧ローラ４４は、不図示の駆動手段により矢印の反時計方向に所定の回転周速度にて回転駆動される。この加圧ローラ４４の回転駆動による加圧ローラ４４と定着フィルム４１との、定着ニップ部Ｔにおける圧接摩擦力により円筒状の定着フィルム４１に回転力が作用して、該定着フィルム４１がヒータ４３の下向き面に密着して摺動しながら矢印の時計方向に従動回転状態になる。支持部材は、円筒状定着フィルム４１の回転ガイド部材でもある。

加圧ローラ４４が回転駆動され、それに伴って円筒状定着フィルム４１が従動回転状態になり、またヒータ４３に通電がなされて該ヒータが迅速に昇温して所定の温度に立ち上がり温調された状態において、定着ニップ部Ｔの定着フィルム４１と加圧ローラ４４との間に未定着トナー像Ｔを担持した記録材Ｐが導入され、定着ニップ部Ｎにおいて、記録材Ｐのトナー像担持側面が、定着フィルム４１の外面に密着して定着フィルム４１と一緒に定着ニップ部Ｔを挟持搬送されていく。この挟持搬送過程においてヒータ４３で加熱された定着フィルム４１の熱により記録材Ｐが加熱され、記録材Ｐ上の未定着トナー像Ｔが記録材Ｐ上に加熱・加圧されて溶融定着される。定着ニップ部Ｔを通過した記録材Ｐは定着フィルム４１の面から曲率分離して排出搬送されていく。

４５は接触式温度計（サーミスタ）であり、ヒータ４３によって加熱された定着フィルム４１の温度を計測し、その検出結果を不図示の温度制御手段に渡す構成となっている。
４６はヒーターホルダであり、高温に発熱したヒータ４３を保持する部材である。

（定着フィルム）
本実施形態では、図３に示されるような定着フィルムを用いた。上述したように、ポリイミド前駆体溶液を基層４１ｃの内周面に塗布、乾燥、加熱し、脱水閉環反応により形成する。塗布の工程において、例えば特開２００２−１４６０８５等で記載されているような以下の手法でポリイミド多孔質層を得る。

Ｕ−ワニスＳ（宇部興産株式会社製）を前駆体として用いて、重量平均分子量が４２０のポリエチレングリコールモノメタクリレート（商品名「ＰＥ−３５０」、日本油脂（株）製）をポリイミド前駆体１００重量部に対して３８重量部添加し、攪拌して透明な均一の溶液を得た。この溶液を厚さが３０μｍ、直径が２５ｍｍ、長手長さが３３０ｍｍの円筒状ニッケル金属フィルム４１ｃ上へ、乾燥後のポリイミド前駆体膜の厚さが１５μｍになるようにリングコート法により塗布し、９０℃で１５分、その後１８０℃で１０分間熱風循環式オーブン中で溶媒を乾燥させ、ポリエチレングリコールモノメタクリレートのミクロ相分離構造を有するポリイミド前駆体膜を得た。

このポリイミド前駆体膜が形成されたフィルムを、５００ｍｌの耐圧容器に入れ、１００℃の雰囲気中、２５ＭＰａに加圧した超臨界二酸化炭素を充填した後、圧力を保ったまま、ガス量にして約５リットル／分の流量で超臨界二酸化炭素を注入、排気して、ポリエチレングリコールモノメタクリレートを抽出除去する操作を２時間行った。このポリイミド前駆体膜を１．３３Ｐａの減圧下、３８０℃に加熱して、厚み１０μｍのポリイミド多孔質体膜を得た。得られた多孔質体膜断面のＳＥＭ観察像を画像処理して求めた気泡のサイズ（平均気泡径）は０．８４μｍであった。

平均気泡に関しては、０．１〜５μｍ程度が望ましい。また、今回作製したものは、空隙率およそ５０％の連泡であった。空隙率は大きいほど潤滑剤保持量が増加するが、大きすぎると強度が低下してしまうため、１０〜８０％程度が望ましい。また、単泡でも良いが、潤滑剤の保持量が増加する連泡の方がより望ましい。

多孔質膜の製造手法としては、その他にもポリイミド樹脂前駆体と光硬化性樹脂前駆体とを含有する溶液から膜を形成し、溶媒の一部を除去したのち、高圧二酸化炭素雰囲気下で、光を照射することで光硬化性樹脂前駆体を硬化させ、その後、溶媒成分を蒸発させ、また光硬化性樹脂を加熱により気化させることによって、多孔質ポリイミド膜を得る手法や、ポリイミド樹脂前駆体溶液に架橋剤を加え、加熱することによって架橋とイミド化とを行いポリイミド湿潤ゲルを得たのち、このゲル中の網目骨格の空隙部に熱分解性ポリマーを充填し、得られた複合ゲルに熱処理を行い、熱分解性ポリマーを熱分解して、ナノメーターサイズの空孔径を有する多孔質ポリイミドを得る方法等様々あるため、上記の手法に限らない。

(比較例（従来例））
上記と同じくＵ−ワニスＳ（宇部興産株式会社製）を前駆体として用いて、厚さが３０μｍ、直径が２５ｍｍ、長手長さが３３０ｍｍの円筒状ニッケル金属フィルム４１ｃ上へ、乾燥後のポリイミド前駆体膜の厚さが１５μｍになるようにリングコート法により塗布し、９０℃で１５分、その後１８０℃で１０分間熱風循環式オーブン中で溶媒を乾燥させ、３８０℃に加熱して、厚み１０μｍのポリイミド膜を得た。

（比較例（従来例）と本実施形態との比較）
次に、本実施形態と比較例の比較実験を行った。実験条件について説明する。本実験では、図２に示される定着装置を用いた。また実験条件としては、加圧力を総圧で３５０Ｎ、加圧ローラ４４の回転速度を４００ｍｍ／ｓとし、記録材と接触する領域の定着フィルム外周温度が１８０℃となるように制御した。記録材としてＣＳ−８１４（日本製紙（株）社製）を用いた。その際に、加圧ローラ４４と加圧ローラ４４を回転するモータとの間に介した不図示のトルク変換器ＴＰ−５ＫＣＥ（（株）共和電業社製）により加圧ローラ４４の回転に必要なトルクを測定と異常音の発生の有無を確認しながら加熱空回転耐久を行った。

トルクを測定することで、ヒータ４３と定着フィルム４１の摩耗による摺動部の摩擦力の変化を監視できる。異常音の発生の有無は、加圧ローラ４４の回転速度を２０ｍｍ／ｓと低速に減速することで確認する。これは、低速の方がスティックスリップによる異常音が発生しやすいためである。

潤滑剤としてはＨＰ３００（ダウコーニング社製）を１ｇヒータ４３の摺動面に塗布し試験した。耐久結果を以下の表１に記載する。

表１に示すように、従来例よりも実施形態では耐久枚数に対するトルクの増加がゆるやかである。また、異常音も従来例では９０万枚時点で発生しているのに対して本実施形態では発生することは無かった。

このような耐久結果から、本実施形態では定着フィルム４１の内面層４１ｄを多孔質状のポリイミドを用いることで潤滑剤の保持量が増加し、常に潤滑剤が豊富にヒータ４３と内面層４１ｄとの間に介在するために耐久性能が良化したと考えられる。今回の比較は潤滑剤としてグリスを用いたが、オイルや固体潤滑剤でも優位性が見られており、グリスに限らない。

本実施形態によれば、フィルムとヒータの摺動部における摩耗と異常音の防止を行うことができる。

１０：画像形成部
１１：感光ドラム
１２：帯電器
１３：レーザスキャナ
１４：現像器
１５：クリーナ
１７：一次転写ブレード
２０：給紙カセット
２５：マルチ給紙トレイ
２３：レジストローラ対
３１：中間転写フィルム
３５：二次転写ローラ
４０：定着器
４１：定着フィルム
４３：ヒータ
４４：加圧ローラ
４５：接触式サーミスタ
４６：ヒーターホルダ
４７：フィルム規制部材

Claims (2)

1. 少なくとも表層、基層、内面層を備えるフィルム体と、
   前記フィルム体と圧接してニップ部を形成する加圧ローラと、
   前記加圧ローラを回転させる駆動手段と、
   を有し、前記加圧ローラを回転させることによって前記フィルムを従動回転させるとともに、記録材を前記ニップ部で挟持搬送し加熱加圧する定着装置において、
   前記内面層が多孔質形状を有することを特徴とする定着装置。
2. 前記内面層はポリイミド樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。