JP4723852B2 - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、印画データに基づいて紙やＯＨＰシートなどの記録媒体上に保持された未定着トナーを定着するベルト定着装置及びそれを備えた画像形成装置に関する。

ベルト定着装置を備えた例えばレーザビームプリンター等の画像形成装置において、長時間ベルトを安定駆動することは必要不可欠である。

従来の技術として、低摩擦シートとして多孔質樹脂繊維織布または多孔質樹脂繊維織布表面に多孔質樹脂フィルムを積層したものを用い潤滑剤としてシリコーンオイルを用いた例がある（特許文献１参照）。しかし多孔質樹脂の加圧部分は空孔が潰れ潤滑剤が押し出される為、潤滑剤が乏しい状態になる。従って、その潤滑剤の乏しい部分の面積に応じ負荷トルクが上昇する。一般に繊維の殆どが非多孔質樹脂繊維である。これを多孔質化するには敢えて発泡化したり、一軸方向のみの延伸では多孔質化しない為、二軸方向へ延伸する方法がある。しかし、いずれの場合も繊維形成時に空孔（ひび）を起点として切断し易く生産性が低い。そのため、多孔質樹脂繊維は一般的な非多孔質樹脂繊維より高価となる問題がある。また、シリコーンオイルは高温下で低分子シロキサン成分を揮発する問題がある。

一方、シート状摺動材として摺動面側は多孔質組織材または多孔質膜が積層接着された多孔質組織材で非摺動面側は変形防止フィルムが積層接着されたシート状摺動材で、潤滑剤としてシリコーンオイルを用いた例がある（特許文献２参照）。しかし、変形防止フィルムを積層接着しているシート状摺動材はその分、高コストとなる。また、シリコーンオイルは流動性が高く、オイルバリアを兼ねた変形防止フィルムが積層接着されていないと透過して他部へ拡散してしまう。拡散すると他ユニットを汚染したり摺動面の潤滑剤が枯渇し負荷トルクが上昇する。更に、高温下で低分子シロキサン成分を揮発する問題がある。

ベルト定着装置の技術課題の一つは長時間ベルトを安定駆動することである。ベルトと摺動層の摩擦力が高いと負荷トルクが大きくなり駆動部の破損やローラ表面の傷付きに至る。負荷トルクは摺動層の加圧部の実接触面積率が大きいと増大する傾向がある。また、摺動シートのオイル保持率が少ないと潤滑剤が染み出してローラとベルト間に入り込み、ベルトがスリップしたり、長時間駆動で摺動部分の潤滑剤が枯渇し負荷トルクが急激に上昇する問題がある。ベルトがスリップすると用紙の搬送速度が低下し紙折れや画像乱れの不具合を生じる。

また、摺動シートや潤滑剤は長時間高温にさらされる為、熱劣化が進む可能性がある。摺動シートが熱溶融するとベルト内面に溶着し負荷トルクが増大したり異臭を放つ原因となる。潤滑剤が高温下で酸化劣化すると炭化や増粘により摩擦力が増大する。また、揮発した低分子シロキサンが通電部に吸着されると電気障害を起こす可能性がある。

特開２００１−２２８７３１号公報

特開２００３−１９１３８９号公報

エンドレスベルトを採用した定着装置では、ベルトと摺動層の摩擦力が高いと負荷トルクが大きくなり駆動部の破損やローラ表面の傷付きが生じることがある。また、摺動層の潤滑剤保持率が少ないと潤滑剤が染み出してローラとベルト間に入り込み、ベルトがスリップしたり、長時間駆動で摺動部分の潤滑剤が枯渇し負荷トルクが急激に上昇するという課題が発生することがある。

上記課題を解決するために、本発明は、ローラと、前記ローラに接触して従動回転するエンドレスベルトと、前記ローラ内部もしくは前記エンドレスベルト内部のいずれか一方に加熱源を有し、前記エンドレスベルト内部に、前記エンドレスベルトを前記ローラに向かって加圧する加圧部材を備えた定着装置において、前記加圧部材が前記エンドレスベルトと接触する側に摺動層を設け、前記摺動層は、少なくとも２層以上の層を有し潤滑剤を保持する構成とする。

本発明によれば、定着装置の摺動層を２層としたことで、潤滑剤の保持性能が優れ、かつエンドレスベルトとの摺動摩擦抵抗を低減することができる。

以下、本発明の一実施例を図面を参照しながら説明する。

はじめに、図５を用いて画像形成装置の全体構成を説明する。図５において、符号１は感光体ベルトであり、矢印ｄ方向へ無端移動可能に支持されている。符合２は帯電ブラシ、符号３は帯電ローラであり、帯電ブラシ２および帯電ローラ３は感光体ベルト１の表面に接触させて設けられ、感光体ベルト１の表面を均一に帯電させる。均一に帯電された感光体ベルト１の表面に光を照射する露光装置４は、パソコン、イメージスキャナ等による画像、文字の情報にしたがいドット単位で感光体ベルト１を露光し、感光体ベルト１の表面に静電潜像を形成する。

感光体ベルト１上に形成された静電潜像には、黒トナーの現像機５Ｋ、イエロートナーの現像機５Ｙ、マゼンタトナーの現像機５Ｍ、シアントナーの現像機５Ｃのいずれかによりトナーが供給されトナー像として顕像化され、第１転写位置Ｔ１へ搬送される。第１転写位置Ｔ１では、感光体ベルト１と中間転写体６との電位差により、感光体ベルト１上のトナー像が中間転写体６の表面へ転写される。

第１転写位置Ｔ１を通過した感光体ベルト１の表面は、残像除去器７からの光照射により電位が一定以下に落とされて静電潜像が消去され、続いて清掃装置８により第１転写位置Ｔ１で転写されずに感光体ベルト１上に残留したトナーが除去され、次の画像形成が可能な状態となる。

上記の工程を各現像機５Ｋ、５Ｙ、５Ｍ、５Ｃにより必要数繰り返すことにより、中間転写体６の表面には、画像、文字の情報に見合うトナー像が形成される。

その後、中間転写体６上に転写されたトナー像は第２転写位置Ｔ２で転写器９によって、記録媒体供給装置１０によりカセット１１から供給された記録媒体に転写される。トナー像が転写された記録媒体は、中間転写体６から剥離され、定着装置１２に送り込まれ、トナー像を記録媒体に定着し、記録媒体排出装置１３によって排出される。

なお、図５において符号１４は中間転写体６の表面を清掃する清掃装置である。

次に、定着装置１２の構成を図１を用いて詳細に説明する。

図１に示すように定着装置１２のローラ１５はトナー離型層１５ａ、弾性層１５ｂおよび支持体１５ｃを備えている。トナー離型層１５ａはＰＦＡ、ＰＴＦＥ等のフッ素樹脂やフッ素ゴム、弾性層１５ｂはシリコーンゴムやフッ素ゴム、支持体１５ｃはアルミニウム、鉄等の金属製が好ましい。

また、エンドレスベルト１６は表層１６ａと基材１６ｂを備えている。表層１６ａはＰＦＡ、ＰＴＦＥ等のフッ素樹脂やフッ素ゴム、基材１６ｂはポリイミド、ポリアミドイミド等の樹脂が好ましい。

加圧部材１７は、押し付け部材１７ａ、摺動層１７ｂおよび必要に応じて剥離ローラ１７ｃを用いて、構成されている。押し付け部材１７ａは、使用温度に対し耐熱性を有し、圧力伝達可能な無機物または有機物であればよく、例えばセラミック、ガラス、アルミニウム等の無機物、シリコーンゴム、フッ素ゴム等のゴム類、ＰＴＦＥ（四フッ化エチレン）、ＰＦＡ（四フッ化エチレン・ペルフルオロアルコキシビニルエーテル共重合体）、ＥＴＦＥ（エチレン・四フッ化エチレン共重合体）、ＦＥＰ（四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体）等のフッ素樹脂、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）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＬＣＰ（液晶プラスチック）、フェノール樹脂、ナイロン、アラミド等の樹脂、またはこれらを組み合わせたものが用いられる。

摩擦力低減の為、エンドレスベルト１６と摺動層１７ｂとの間の潤滑剤は、変性パーフルオロポリエーテルを含有する。例えば、カルボン酸変性パーフルオロポリエーテル、リン酸変性パーフルオロポリエーテル、アルコール変性パーフルオロポリエーテル、アミド変性パーフルオロポリエーテル等が用いられる。潤滑剤に変性パーフルオロポリエーテルを添加することでベルト定着装置の負荷トルクを長時間に渡り低減できる。

また、他部品への潤滑剤の流出や拡散を防ぐ為、潤滑剤に増粘剤を添加してオイル成分保持性を高めてもよい。増粘剤としては、例えば、ベントン、シリカゲル、ウレア、ＰＴＦＥ、二硫化モリブデン、ガラス、カーボン、ＢＮ等が用いられる。特に変性パーフルオロポリエーテルに親和性が高く、摺動性を損なわないＰＴＦＥ粒子が好ましい。潤滑剤に増粘剤を添加する事でオイル成分の拡散を防止できる。

摺動層１７ｂの材料は、使用温度に対し耐熱性を有し、圧力伝達可能で摺動に適した無機物または有機物であればよく、例えば、セラミック、ガラス、アルミニウム等の無機物、シリコーンゴム、フッ素ゴム等のゴム類、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＥＴＦＥ、ＦＥＰ等のフッ素樹脂、ＰＩ、ＰＡＩ、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ＬＣＰ、フェノール樹脂、ナイロン、アラミド等の樹脂、またはこれらを組み合わせたものが用いられる。

さらに、安価で摩擦低減を図る為、摺動層１７ｂの構造を２層構造とし、エンドレスベルト１６の内面と接触しない側の層１７２は、潤滑剤保持性の高いＰＰＳ繊維、アラミド繊維、ナイロン繊維等からなる織布または不織布によって構成され、エンドレスベルト１６の内面と接触する側の層１７１は、摺動抵抗を下げる為、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＥＴＦＥ、ＦＥＰ等のフッ素繊維の織布または不織布によって構成される。

特に層１７２はオイル成分保持性が高いフェルト構造とするのが好ましく、層１７１は実接触面積率が小さい織布構造とすることが好ましい。ここで、層１７２は、層１７２に保持させた潤滑剤を層１７１へ容易に移行させるようにするため、潤滑剤を遮断するフィルムではなく繊維構造とするのがよく、摺動層１７ｂの２層間の面は積層接着しない方がよい。また、層１７１の実接触面積率は加圧力０.１２ＭＰａで２０％以下が好ましい。

なお、これらの効果が達成できるのであれば、摺動層は２層以上であっても良い。

実接触面積率は、加圧されたエンドレスベルト１６と摺動層１７ｂの見掛け接触面積の内、圧力伝達に寄与しない摺動層１７ｂの空隙部分面積の和を差し引いた残りの面積率であり式１で表される。

実接触面積率＝(見掛け接触面積−空隙部分面積)／(見掛け接触面積)×100 ・・・式１
実接触面積率を計測する方法は、式１に促していればよい。近似的に例えば、層１７１をスタンプ台（中形ＨＧ−２ＥＣクロ／シヤチハタ(株)製）に０.１２ＭＰａの圧力で押し付け、付着した黒インク（ＳＧ−４０クロ／シヤチハタ(株)製）を即時に平滑な白紙（ファインエフシー／紀州製紙(株)製）に０.１２ＭＰａの圧力で押し付けて転写する。次に転写した画像を光学顕微鏡（ＶＨ−８０００／(株)キーエンス製）で出力信号に変換し、演算処理により黒インクが付着している実接触面積と白紙の空隙面積を区別して算出する方法等がある。

層１７１の配置の方向性は織り目の変形の少ない角度であればよい。特に織り目方向と摺動方向の角度は３０°〜４５°が好ましい。本発明における織り目方向と摺動方向の角度とは、図２に示すようにエンドレスベルト１６に接触する側の摺動層の縦糸方向および横糸方向と、摺動方向の交点とのなす合計３つの角度ａ、ｂ、ｃの内、最小の角度ａである。

図１において、定着後の記録媒体ｍをローラ１５から剥離しやすくする為、剥離ローラ１７ｃを設けてもよい。剥離ローラ１７ｃは、使用温度に対し耐熱性を有し、圧力伝達可能でエンドレスベルト１６に従動回転するステンレス鋼等の金属ローラ、或いは金属の芯金をフッ素ゴム、シリコーンゴム等で被覆したゴムローラが好ましい。また、ローラ１５内部およびエンドレスベルト１６内部の少なくとも一方には加熱源１５ｄ、１７ｄが設けられ、ローラ１５とエンドレスベルト１６との圧接部（以下、ニップ部と称する）が加熱されるように構成されている。加熱源は、いずれか一方に設けるだけでも良い。加熱源には、例えばハロゲンランプ、電磁誘導式加熱源、ＰＴＣヒータ、フィルムヒータ、セラミックヒータ等が用いられる。記録媒体ｍに付着した未定着トナーｔは、ローラ１５とエンドレスベルト１６で形成されるニップ部を通過する時、加熱・加圧されて記録媒体ｍ上に定着される。

以下、具体的な実施例を図１、図３、図４および表１を用いて説明する。

ローラ１５は、トナー離型層１５ａに厚さ３０μｍのＰＦＡチューブ、弾性層１５ｂとして厚さ０.６ｍｍ、硬度２０°（ショアＡ）のシリコーンゴム、支持体１５ｃとして厚さ１ｍｍ、直径４０ｍｍのアルミニウムの円管を用いた。

エンドレスベルト１６は、表層１６ａに厚さ３０μｍのＰＦＡチューブ、基材１６ｂとして厚さ５０μｍ、直径３０ｍｍのポリイミドベルトを用いた。

加圧部材１７は、押し付け部材１７ａにアルミニウムパッド１７３、硬度２０°（ショアＡ）厚さ４ｍｍのシリコーンゴムパッド１７４、摺動層１７ｂには厚さ０.８ｍｍのフッ素フェルト（東レ(株)製）、剥離ローラ１７ｃに直径８ｍｍのステンレス鋼製ローラを用いた。

また、加熱源にはローラ１５内部の加熱源１５ｄに９８０Ｗのハロゲンランプ、エンドレスベルト１６内部の加熱源１７ｄにフィルムヒータを用い、潤滑剤にはカルボン酸変性パーフルオロポリエーテルに平均粒径０.３μｍのＰＴＦＥ粒子（ルブロンＬ−２／ダイキン工業(株)製）を添加したものを用い、加圧部材１７にトータル荷重３０ｋｇｆを加えた。なお、ニップ部はハロゲンランプ１５ｄとフィルムヒータ１７ｄにより１６０℃に加熱され、周速は２００ｍｍ／秒とした。

摺動層１７ｂのオイル成分保持率と実接触面積率を表１に、負荷トルクの経時変化を図３に示す。ここで、オイル成分保持率とは、縦３０ｍｍ、横１８ｍｍの大きさの摺動層１７ｂにフッ素オイル成分（Ｓ６５／ダイキン工業(株)製）のみを０.５ｇ染み込ませ、室温で２００時間垂直放置した後のオイル残存率である。

表１に示すように、実施例１のオイル成分保持率は７８％、実接触面積率は２５％であった。また、このときの負荷トルクは、駆動時間が１２.５時間で５．５（ａ.ｕ：任意単位）であった。

エンドレスベルト１６に接触しない側の層１７２を厚さ０.４ｍｍのアラミドフェルト（(株)フジコー製）、エンドレスベルト１６に接触する側の層１７１を厚さ２２μｍの多孔質ＰＴＦＥフィルム（ポアフロン／住友電気工業(株)製）に変えたこと以外は実施例１と同じである。

実施例２でのオイル成分保持率は８６％と多いが、実接触面積率は９９％と非常に大きい。このときの負荷トルクは、駆動時間が１２.５時間で６．１（ａ.ｕ）であった。

エンドレスベルト１６に接触しない側の層１７２を厚さ０.４ｍｍのＰＴＦＥ織布（No.４０６Ｗ／東レ(株)製）、エンドレスベルト１６に接触する側の層１７１を厚さ０.２ｍｍのＰＦＡネット（東レ(株)製）にし、ＰＦＡネットの織り目方向を摺動方向に対し４５°に変えたこと以外は実施例１と同じである。

実施例３でのオイル成分保持率は２５％と少なく、実接触面積率は１％と非常に小さい。このときの負荷トルクは駆動時間が１２.５時間で１．１（ａ.ｕ）と実施例１および実施例２と比較して低いが、１００時間で２．２（ａ.ｕ）に増加している。

エンドレスベルト１６に接触しない側の層１７２を厚さ０.４ｍｍのアラミドフェルト（(株)フジコー製）、エンドレスベルト１６に接触する側の層１７１を厚さ０.２ｍｍのＰＦＡネット（東レ(株)製）にし、ＰＦＡネットの織り目方向を摺動方向に対し４５°に変えたこと以外は実施例１と同じである。

実施例４でのオイル成分保持率は７９％と多く、実接触面積率は１％と非常に小さい。このときの負荷トルクは駆動時間が１２.５時間で１.０（ａ.ｕ）と実施例１〜実施例３と比較して低く、１００時間でも１.１（ａ.ｕ）と長時間低い値を持続している。

ＰＦＡネットの織り目方向と織り目変形量の測定方法について、以下説明する。

厚さ０.２ｍｍのＰＦＡネット（東レ(株)製）を縦５０ｍｍ、横１００ｍｍに切り取り、チャック面積をそれぞれ１００ｍｍ^２、チャック間距離を１０ｍｍとし、横方向に５ｋｇｆで引っ張り、織り目の変形量を測定した。測定結果を図４に示す。

図４より、織り目方向と引っ張り方向角度が３０°〜４５°で織り目の変形が少ないことが判る。また、織り目方向と引張り方向角度が０°でＰＦＡネットが破断した。このように織り目方向を摺動方向に対し３０°〜４５°とすることで織り目の変形を低減できる。

なお、以上の説明においては、ベルト状の感光体に形成されたトナー像を中間転写体に一次転写し、次に中間転写体上に転写されたトナー像を用紙等の記録媒体に二次転写する構成をした画像形成装置を前提として述べたが、画像形成装置の構成はこれに限定されるわけではなく、感光体としてはドラム状のものであってもよい。また、中間転写体を介さずに、転写器を感光体に対向させて設け、感光体から記録媒体へ直接トナー像を転写する構成の画像形成装置に適用してもよい。

本発明における潤滑剤及び摺動層は、圧接摺動面の摩擦低減材料としてＯＡ機器、自動車、計測器、建築材料、その他の産業機器にも適応可能である。

本発明の画像形成装置に適用される定着装置の断面図である。 摺動層の織り目方向と摺動方向の角度との関係を示す説明図である。 定着装置の駆動時間と負荷トルクとの関係を示すグラフである。 摺動層の織り目方向と織り目変形量の関係を示すグラフである。 画像形成装置の全体構成図である。

符号の説明

１５…ローラ、１５ａ…離型層、１５ｂ…弾性層、１５ｃ…支持体、１５ｄ…加熱源、１６…エンドレスベルト、１６ａ…表層、１６ｂ…基材、１７…加圧部材、１７ａ…押し付け部材、１７ｂ…摺動層、１７ｃ…剥離ローラ、１７ｄ…加熱源、ｍ…記録媒体、ｔ…トナー像。

Claims (14)

1. ローラと、前記ローラに接触して従動回転するエンドレスベルトと、前記ローラ内部もしくは前記エンドレスベルト内部のいずれか一方に加熱源を有し、前記エンドレスベルト内部に、前記エンドレスベルトを前記ローラに向かって加圧する加圧部材を備えた定着装置において、前記加圧部材は、前記エンドレスベルトと接触する側に摺動層を有し、前記摺動層は、積層接着されていない少なくとも２層以上の層を有するとともに、前記２層以上の層のうち、前記エンドレスベルトの内面と接触しない側のひとつの層に潤滑剤を保持し、保持した前記潤滑剤を前記エンドレスベルトの内面と接触する側の層へ移行させ、前記エンドレスベルトの内面と接触する面の実接触面積率は加圧力０．１２ＭＰａで２０％以下であることを特徴とする定着装置。
2. 前記潤滑剤は、変性パーフルオロポリエーテルを含有していることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
3. 前記変性パーフルオロポリエーテルは、カルボン酸変性パーフルオロポリエーテル、リン酸変性パーフルオロポリエーテル、アルコール変性パーフルオロポリエーテル、アミド変性パーフルオロポリエーテルのいずれかであることを特徴とする請求項２記載の定着装置。
4. 前記潤滑剤がＰＴＦＥ粒子を含有することを特徴とする請求項１記載の定着装置。
5. 前記摺動層は、前記エンドレスベルトの内面と接触する側の層がフッ素繊維層であり、前記エンドレスベルトの内面と接触しない側の層がアラミド繊維、ＰＰＳ繊維、ナイロン繊維の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
6. 前記アラミド繊維、ＰＰＳ繊維、ナイロン繊維の少なくとも一つである層がフェルトであることを特徴とする請求項５記載の定着装置。
7. 前記フッ素繊維層が織布であり、織り目方向が摺動方向に対し３０〜４５°の角度であることを特徴とする請求項５記載の定着装置。
8. 静電潜像を形成可能な光導電面を有する感光体と、前記感光体上にイエロー、マゼンタ、シアン、黒の各色トナーを顕在化する現像機と、前記顕在化したトナー像を重ね合わせる中間転写体と、前記中間転写体に重ねたトナー像を記録媒体に転写する転写手段と、前記記録媒体上のトナー像を前記記録媒体に定着させる定着装置を備えた画像形成装置において、前記定着装置は、回転駆動されるローラと、前記ローラに接触して従動回転するエンドレスベルトと、前記ローラ内部もしくは前記エンドレスベルト内部のいずれか一方に加熱源と、前記エンドレスベルト内部に前記エンドレスベルトを前記ローラに向かって加圧する加圧部材と、前記加圧部材が前記エンドレスベルトと接触する側に摺動層を設け、前記摺動層は、積層接着されていない少なくとも２層以上の層を有するとともに、前記２層以上の層のうち、前記エンドレスベルトの内面と接触しない側のひとつの層に潤滑剤を保持し、保持した前記潤滑剤を前記エンドレスベルトの内面と接触する側の層へ移行させ、前記エンドレスベルトの内面と接触する面の実接触面積率が加圧力０．１２ＭＰａで２０％以下であることを特徴とする画像形成装置。
9. 前記潤滑剤は、変性パーフルオロポリエーテルを含有していることを特徴とする請求項８記載の画像形成装置。
10. 前記変性パーフルオロポリエーテルは、カルボン酸変性パーフルオロポリエーテル、リン酸変性パーフルオロポリエーテル、アルコール変性パーフルオロポリエーテル、アミド変性パーフルオロポリエーテルのいずれかであることを特徴とする請求項９記載の画像形成装置。
11. 前記潤滑剤がＰＴＦＥ粒子を含有することを特徴とする請求項８記載の画像形成装置。
12. 前記摺動層は、前記エンドレスベルトの内面と接触する側の層がフッ素繊維層であり、前記エンドレスベルトの内面と接触しない側の層がアラミド繊維、ＰＰＳ繊維、ナイロン繊維の少なくとも一つであることを特徴とする請求項８記載の画像形成装置。
13. 前記アラミド繊維、ＰＰＳ繊維、ナイロン繊維の少なくとも一つである層がフェルトであることを特徴とする請求項１２記載の画像形成装置。
14. 前記フッ素繊維層が織布であり、織り目方向が摺動方向に対し３０〜４５°の角度であることを特徴とする請求項１２記載の画像形成装置。

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