JP4815242B2 - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、複写機、ファックス、プリンタ等の画像形成装置及びこれに採用される定着装置に関するものである。

従来、記録媒体上の未定着トナー像を定着する定着装置として種々のものが提案されている。その一つとして、表面が弾性変形する回転可能な加熱ローラに無端状ベルトを圧接させてニップ部を形成し、未定着トナー像を担持した記録媒体をこのニップ部を通過させて記録媒体上のトナー像を定着するベルトニップ方式の定着装置が知られている。その一例として、特許文献１では、無端状ベルトの内側に非回転状態で配置され、無端状ベルトを弾性変形させて加熱ローラとの間に記録媒体を通過させるニップを設けると共に、加熱ローラの表面のうち記録媒体出口側を局部的に弾性変形させる圧力パッドを具備した定着装置が提案されている。この定着装置では、加熱ローラの表面のニップ部のうち、記録媒体出口側を局部的に弾性変形させることで、剥離爪等の剥離手段を設けることなくニップ部出口において記録媒体が加熱ローラから剥離するようにしている。これは、溶融トナーと加熱ローラ表面との界面の付着力は、単に両者の界面化学的な材料物性値だけでは決まらずに、加熱ローラ表面の歪みの影響を大きく受けるという事実を利用したものである。詳しくは、あらかじめ表面歪みを有している加熱ローラの表面に溶融トナーが接触している状態から、その表面歪みが瞬間的に解放される状態に移る時に、トナーと加熱ローラ表面との付着力が減少するという現象である。この定着装置では、加熱ローラ表面のうちニップ部の記録媒体出口側を局部的に弾性変形させており、ニップ部出口近傍において記録媒体上のトナーは歪みを受けながら定着され、ついでニップ出口においてその歪みが解放させる瞬間、トナーと加熱ローラ表面の付着力が急激に低減することで記録媒体を加熱ローラから剥離させている。また、この定着装置では、非回転状態の圧力パッドを用いて無端状ベルトを加熱ローラに圧接させているので、回転状態の圧力ローラを用いた場合に比べ熱損失が少ないというメリットがある。

特許第３２９８３５４号公報

しかしながら、上記特許文献１のベルトニップ方式の定着装置では、加熱ローラの表面のニップ部のうち記録媒体出口側を局部的に弾性変形させており、この局部的に弾性変形して歪を設けた部分で記録媒体の表面と裏面との間に速度差が生じ、画像ズレが発生しやすいという不具合がある。また、特許文献１で開示されるように、加熱ローラを圧力パッドの硬質部材で押圧することで局所的に加熱ローラの表面に曲率の小さいニップ形状を作っているので、記録媒体に与える負荷、具体的にはペーパーダメージやカール量が大きくなってしまう。

また、加熱ローラを用いた定着装置において、加熱ローラの表面曲率が大きいものを使用すれば剥離性能を向上させることはできるが、装置が大型化してしまうというデメリットがある。加熱ローラに表面曲率が小さいものを使用すると、小型化のメリットはあるものの、画像ズレやペーパーダメージやカール量が大きりやすいといった不具合は発生しやすくなる。

本発明は上記の背景に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、熱損失の少ないベルトニップ方式の定着装置において、装置を大型化することなく記録媒体の良好な剥離性能を得るとともに、記録媒体に大きな負荷をかけずかつ画質ズレを防止し高品質な画像を得ることのできる定着装置および画像形成装置を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、弾性部と熱源とを有する加熱手段と、記録媒体を搬送する回転可能な無端状部材と該無端状部材を該加熱手段の弾性部に圧接させる加圧部材とからなる加圧手段とを備え、未定着のトナー像を担持した記録媒体を該加熱手段の弾性部と該加圧手段の無端状部材との間に形成されるニップ部を通過させることで未定着のトナー像を記録媒体に定着する定着装置において、上記加圧手段の加圧部材は表面が平坦な弾性部材と該弾性部材を該記録媒体側に付勢する付勢部材とを備え、上記ニップ部領域内で該弾性部材の変形量が飽和する領域（最大変形量）近傍となるよう該付勢部材で付勢することを特徴するものである。
また、請求項２の発明は、請求項１の定着装置において、上記加圧部材の弾性部材の記録媒体搬送方向幅が、無限平板を用いて上記加熱手段の弾性部を圧接したときに形成されるニップ幅と同じもしくはそれ以下であることを特徴とするものである。
また、請求項３の発明は、請求項１または２の定着装置において、上記加圧手段の弾性部材の低圧力領域（０〜０．０１０ｋｇｆ／ｍｍ^２）での荷重方向変形率（％／（ｋｇｆ／ｍｍ^２））に比べて変化率が−３０％以下になる圧力値以上で構成されたニップ領域が、ニップ領域全体の５０％以上を占めるよう構成すること特徴とするものである。
また、請求項４の発明は、請求項１、２または３の定着装置において、上記加圧手段の弾性部材のゴム硬度が８Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）以下、荷重方向厚さが２ｍｍ以下であることを特徴とするものである。
また、請求項５の発明は、請求項１、２、３または４の定着装置において、上記加圧手段の弾性部材の永久歪が４％以下であることを特徴とするものである。
また、請求項６の発明は、請求項１、２、３、４または５の定着装置において、上記加熱手段が上記弾性部の内部に上記熱源を有する回転可能な加熱定着ローラであることを特徴とするものである。
また、請求項７の発明は、請求項６の定着装置において、上記加熱定着ローラの外径が２７ｍｍ以下、該加熱定着ローラの弾性部のゴム硬度が８Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）以下、ゴム厚さが０．８ｍｍ以上であることを特徴とするものである。
また、請求項８の発明は、請求項６または7の定着装置において、上記加熱定着ローラの弾性部の永久歪が４％以下であることを特徴とするものである。
また、請求項９の発明は、請求項１、２、３、４または５の定着装置において、上記加熱手段が上記弾性部と上記熱源と無端状加熱部材と該無端状加熱部材を張架する複数の回転可能なローラとを有していることを特徴とするものである。
また、請求項１０の発明は、像担持体と、該像担持体上に静電潜像を形成する静電潜像形成手段と、該像担持体上の静電潜像に異なる色のトナー像を形成する複数の現像手段と、該像担持体上に形成されたトナー像を中間転写体上に転写する中間転写手段と、該中間転写体上のトナー像を記録媒体に転写する転写手段と、該記録媒体上に転写されたトナーを定着する定着装置とを備えた画像形成装置において、上記定着装置として請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９の定着装置を採用したことを特徴とするものである。

これらの発明では、加熱手段の弾性部が無端状部材を介して加圧部材の表面が平坦な弾性部材にめり込んで曲率を有するニップ部を形成する。このニップ部領域内で、加圧手段の弾性部材の変形量が飽和する領域（最大変形量）近傍となるように付勢することにより、弾性部材のゴム弾性分は大きく低下して硬度が硬くなる。硬くなった弾性部材は、ニップ領域内の弾性部を、後述する図５の曲線６９から曲線６６に示すように、ニップ領域内の曲率を大きくするように変形させる。このようにして、ニップ領域内の曲率を大きく、すなわちニップ領域内の湾曲を小さくすることで記録媒体に与えるダメージを緩和すると共に、ニップ領域内の局部的な弾性変形による画像ズレを防止する。また、加熱手段の弾性部のニップ領域内の曲率を大きくすることで、ニップ出口部の記録媒体の突出姿勢を適正化して剥離性能を向上させる。詳しくは、図５に示すように、曲線６６で示されるような曲率の大きいニップから搬出される記録媒体は、直線７０で示されるように、曲率の小さいニップから搬出される記録媒体のよりも弾性部表面から離れる方向へ向かうことになる。すなわち、曲率の大きいニップから搬出される記録媒体では、ニップ出口からの記録媒体搬出方向と、ニップ出口における弾性部表面部分の接線方向とのなす角度が最も大きい状態になり、記録媒体のおもて面と弾性部表面との間には記録媒体のコシの強さによる大きな離間力が働く。これにより剥離性能を向上させることができる。また、このような構成にすることで、装置を大型化することなく、ニップ領域内だけ加熱手段の弾性層の表面曲率を大きくすることができる。

請求項１乃至１０の発明によれば、熱損失の少ないベルトニップ方式の定着装置において、装置を大型化することなく記録媒体の良好な剥離性能を得るとともに、記録媒体に大きな負荷をかけずかつ画質ズレを防止し高品質な画像を得ることができるという優れた効果がある。

以下、本発明を適用した画像形成装置の一実施形態について説明する。図１は、本発明の画像形成装置の概略構成図である。この画像形成装置は、矢印Ａ方向に回転する像担持体としての感光体１を備えている。感光体１の周囲には、感光体１の表面を帯電するスコロトロン型の帯電装置２、帯電された感光体１の表面を画像情報により変調された露光光Ｒで露光して感光体１上に静電潜像を形成するＲＯＳ（レーザ出力部）３、感光体１上の静電潜像をトナーで現像して感光体１上にトナー像を形成する現像装置４、感光体１上のトナー像を記録媒体としての用紙Ｐに転写する転写装置５、感光体１の表面をクリーニングするクリーナ８、感光体１表面の残留電荷を除去する除電装置９を備えている。また、用紙Ｐに転写されたトナー像を定着する定着装置６、用紙Ｐを収納する用紙トレイ７を備えている。

次に、上記画像形成装置における画像形成動作について説明する。先ず、画像読取部（図示せず）で原稿から読み取られた原画像信号、あるいは外部のコンピュータ（図示せず）などで作成された原画像信号が画像処理部（図示せず）に入力され、適切な画像処理が行われる。こうして得られた入力画像信号がＲＯＳ（レーザ出力部）３に入力され、レーザ光線Ｒを変調する。入力画像信号によって変調されたレーザ光線Ｒは、スコロトロン型の帯電装置２により一様帯電された感光体１の表面にラスタ照射される。感光体１表面にレーザ光線Ｒがラスタ照射されると、感光体１上には入力画像信号に対応した静電潜像が形成される。感光体１上に形成された静電潜像は現像装置４によりトナーで現像され、感光体１上にトナー像が形成される。感光体１上に形成されたトナー像は感光体１の矢印Ａ方向への回転に伴われて、感光体１に対向して配置された転写装置５に向かって搬送される。一方、用紙トレイ７に収納されていた用紙Ｐが感光体１と転写装置５との間のニップ部に向かって供給され、転写装置５により感光体１上のトナー像が用紙Ｐ上に転写される。用紙Ｐ上に転写されたトナー像は、定着装置６によって搬送されて定着され所望の画像が得られる。トナー像の用紙Ｐ上への転写が終了した感光体１の表面に付着した残留トナーなどの付着物はクリーナ８によりクリーニングされ、さらに、感光体１の表面の残留電荷が除電装置９により除去されて、１回の画像形成動作が終了する。

次に、本実施形態の特徴部である定着装置６について説明する。図２は、上記画像形成装置に採用されている定着装置６の概略構成図である。この定着装置６は、加熱手段としての加熱定着ローラ１０と、未定着トナー３１を表面に担持した記録媒体３２を加熱定着ローラ１０に接するよう加圧しながら図中矢印方向に搬送する無端状部材２３を有する加圧手段２０とを備えている。加熱定着ローラ１０は、表面被覆層１２と、弾性部としての弾性層１３と、芯金１４と、熱源１６とを有し、図示しない駆動手段により回転可能に構成されている。加熱定着ローラ１０の表面被覆層１２としては、未定着トナー３１が付着しにくいようにＰＦＡ層などが用いられる。また、弾性層１３としては、一般的にシリコンゴムやフッ素ゴムなどが用いられている。シリコンゴムを用いた場合、耐膨潤性を向上させるためにフッ素層などがコートされることもある。加圧手段２０は、記録媒体を搬送する従動可能な無端状部材２３と、弾性部材としての加圧弾性部材２１と加圧弾性部材２１を支持する支持部材２２と支持部材２２に支持された加圧弾性部材２１を記録媒体３２側に加圧付勢する付勢手段としての加圧スプリング２６とからなる加圧部材と、無端状部材２３と加圧弾性部材２１との間の摩擦を低減するための低摩擦部材２５と、無端状部材２３の搬送経路を規定するガイド２４とを備えている。また、無端状部材２３と加圧弾性部材２１との間の摩擦をさらに低減するために潤滑油を供給する潤滑油供給部材２７を備えている。一般的に、潤滑油はシリコンオイルもしくはフッ素オイルなどが含まれているものを使用する。無端状部材２３は、ＰＦＡとポリイミドより形成されている。加圧弾性部材２１は、加圧方向の面が平坦な加圧パッドが用いられており、シリコンゴム又はフッ素ゴムのゴム層を有している。このような定着装置６では、未定着トナー像３１を担持した記録媒体３２を加熱定着ローラ1０と加圧手段２０の無端状部材３２との間に形成されるニップ部を通過させることで記録媒体３２上に定着画像３３を形成する。ここで記録媒体３２としては、カット紙などの用紙が用いられる。

次に、加圧部材の加圧弾性部材２１について詳しく説明する。図３は、加圧弾性部材２１として用いられる加圧パッドのゴム硬度、ゴム荷重方向厚さを変化させ、圧力値に対してゴムの荷重方向の変形量を測定した結果を示すものである。図３において、曲線６０はゴム硬度８Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）、ゴム荷重方向厚さ２ｍｍの変形曲線で、曲線６１はゴム硬度２０Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）、ゴム荷重方向厚さ４ｍｍの変形曲線で、曲線６２はゴム硬度３０Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）、ゴム荷重方向厚さ４ｍｍの変形曲線である。

曲線６０では、点８１は圧力値０．０１０ｋｇｆ／ｍｍ^２付近の変形量を表し、点８２は圧力値０．０２０ｋｇｆ／ｍｍ^２付近の変形量を表し、点８３は圧力値０．０３０ｋｇｆ／ｍｍ^２付近の変形量を表し、点８４は圧力値０．０４０ｋｇｆ／ｍｍ^２付近の変形量を表し、点８５は圧力値０．０５０ｋｇｆ／ｍｍ^２付近の変形量を表し、点８６は圧力値０．０６０ｋｇｆ／ｍｍ^２付近の変形量を表し、点８７は圧力値０．０７０ｋｇｆ／ｍｍ^２付近の変形量を表す。このように、曲線６０は点８１から点８７の値が示すように、徐々に変形量が飽和しているのがわかる。
曲線６１では、点８８は圧力値０．０２０ｋｇｆ／ｍｍ^２付近の変形量を表し、点８９は圧力値０．０４０ｋｇｆ／ｍｍ^２付近の変形量を表し、点９０は圧力値０．０５０ｋｇｆ／ｍｍ^２付近の変形量を表し、点９１は圧力値０．０６０ｋｇｆ／ｍｍ^２付近の変形量を表し、点９２は圧力値０．０７０ｋｇｆ／ｍｍ^２付近の変形量を表す。曲線６１は、低圧力領域（０〜０．０３０ｋｇｆ／ｍｍ^２）で変形量と圧力が線形の関係であり、高圧力領域（圧力値０．０７０ｋｇｆ／ｍｍ^２以上）で変形量の飽和傾向が見え始める。
曲線６２では、点９３は圧力値０．０４０ｋｇｆ／ｍｍ^２付近の変形量を表し、点９４は圧力値０．０７０ｋｇｆ／ｍｍ^２付近の変形量を表す。曲線６２は、曲線６０と曲線６１と違って、高圧力領域まで変形量と圧力の関係が線形を保っていることがわかる。

表１は、図３で示した各弾性部材２１の変形量（％）、圧力（ｋｇｆ／ｍｍ^２）、荷重方向変形率（％／（ｋｇｆ／ｍｍ^２））、および低圧力領域での荷重方向変形率の変化率（初期変形量との比較）（％）をまとめたものである。なお、曲線６０では、初期変形量は点８１の圧力値０．０１０ｋｇｆ／ｍｍ^２付近のものを基準としている。また、曲線６１では、初期変形量は点８８の圧力値０．０２０ｋｇｆ／ｍｍ^２付近のものを基準としている。また、曲線６２では、初期変形量は点９３の圧力値０．０４０ｋｇｆ／ｍｍ^２付近のものを基準としている。このように、基準となる圧力値は異なるが、曲線６１，６２ではその時点より低圧力領域では変形率は線形なので、圧力値の基準が０〜０．０１０ｋｇｆ／ｍｍ^２の領域でも、変化率は同じ数値になると考えてかまわない。

また、図４は、図２に示した定着装置６で、加熱定着ローラ１０に荷重４０ｋｇｆを加え、種々の加圧弾性部材２１に当接させてニップ部の圧力分布を実測した結果を示す。加熱定着ローラ１０としては、昭和電線製、外径２７ｍｍ、弾性層ゴム厚さ１．０ｍｍ、弾性層ゴム硬度８Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）、弾性層ゴム永久歪４％のものを用いた。図４において、曲線６３は、加圧弾性部材２１として昭和電線製のゴムパッド：ゴム硬度８Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）、ゴム永久歪４％、ゴム荷重方向厚さ２ｍｍ、ゴム搬送方向幅４ｍｍ、ゴム軸方向長さ２３０ｍｍを用いた時のニップ部圧力分布である。曲線６４は、加圧弾性部材２１として昭和電線製のゴムパッド：ゴム硬度２０Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）、ゴム永久歪４％、ゴム荷重方向厚さ４ｍｍ、ゴム搬送方向幅６ｍｍ、ゴム軸方向長さ２３０ｍｍを用いた時のニップ部圧力分布である。曲線６５は、弾性部材２１として昭和電線製のゴムパッド：ゴム硬度３０Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）、ゴム永久歪４％、ゴム荷重方向厚さ４ｍｍ、ゴム搬送方向幅６ｍｍ、ゴム搬送方向幅７．５ｍｍ、ゴム軸方向長さ２３０ｍｍを用いた時のニップ部圧力分布である。それぞれのゴム搬送方向幅はニップ幅が約７〜８ｍｍに一致するように調整した。ここで、ニップ幅を７〜８ｍｍに調整したのは、トナーを十分に用紙上に定着させるときに必要な時間が７〜８ｍｍのニップ幅で稼げるためである。このニップ幅は、画像形成装置の印刷速度と比例するものであり、印刷速度に応じて適宜調整するものである。図４からは、曲線６３は曲線６５に比べて最大圧力値が大きく、ニップ端部での圧力の傾斜が大きいことが分かる。

また、加熱定着ローラ１０の弾性層１３のゴム永久歪が大きい場合、加熱定着ローラ１０表面形状が局所的に変形し、画像の光沢ムラ等の画像劣化を起こす原因となる。実験から、加熱定着ローラ１０の弾性層１３のゴム永久歪が５％以上の場合、光沢ムラが目立ち、ゴム永久歪４％以下が望ましいことがわかった。また、加圧弾性部材２１のゴム永久歪が大きい場合、ニップ形状の経時的変形が起き、定着特性及び剥離特性が不安定になることがある。表２に、加圧弾性部材２１のゴム永久歪を変化させて、初期と経時の画質、定着特性及び剥離特性について検討した結果を示す。

表２に示すように、加圧弾性部材２１のゴム永久歪が５％以上の場合、１００時間以上の加熱空転後の画質、定着特性及び剥離特性が低下することが確認できた。よって、加圧弾性部材２１のゴム永久歪は４％以下が望ましいことがわかった。

図５は、表１のゴム物性値の測定結果を基に、実測した圧力分布から加熱定着ローラ１０の弾性層１３の変形形状を計算した結果である。なお、この計算結果はゴムの搬送方向と軸方向の変形は考慮していないが、比較検証するには十分な計算であると考える。図５において、曲線６９は、加熱定着ローラ１０の弾性層１３が曲率に沿ったニップ部を形成した時の表面形状である。曲線６６は、ゴム硬度８Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）、ゴム荷重方向厚さ２ｍｍの加圧弾性部材２１をニップさせて変形させた後の加熱定着ローラ１０の弾性層１３の表面形状である。曲線６７は、ゴム硬度２０Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）、ゴム荷重方向厚さ４ｍｍの加圧弾性部材２１をニップさせて変形させた後の加熱定着ローラ１０の弾性層１３の表面形状である。曲線６８は、ゴム硬度３０Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）、ゴム荷重方向厚さ４ｍｍの加圧弾性部材をニップさせて変形させた後の加熱定着ローラ１０の弾性層１３の表面形状である。図５において、ゴム硬度８Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）、ゴム荷重方向厚さ２ｍｍの曲線６６は、そのニップ中央部分が最も上側にあり、そのニップ端部部分が最も下側にある。すなわち、３つの曲線の中で、ゴム硬度８Ｈｓ、ゴム荷重方向厚さ２ｍｍの曲線６６が最も曲率が大きく、すなわちニップの湾曲が小さくなるということがわかる。

さらに、図５において、直線７０は、曲線６６が示すニップ形状から搬出してくる記録媒体３２の姿勢を模擬した直線であり、直線７１は、曲線６７が示すニップ形状から搬出してくる記録媒体３２の姿勢を模擬した直線であり、直線７２は、曲線６８が示すニップ形状から搬出してくる記録媒体３２の姿勢を模擬した直線である。図５で示すように、曲線６８に比べて曲線６６の曲率が大きいので、直線７２に比べて直線７０は、ニップ出口後（曲線６９と直線７０〜直線７２との交点）の加熱定着ローラ１０表面とのクリアランスが大きいことが分かる（図中の矢印に相当）。直線７０は、ニップ出口後の用紙の姿勢を模擬しているので、ニップ出口から搬出された記録媒体部分がなるべく加熱定着ローラ１０表面から離れる方向へ向かう姿勢となればなるほど、記録媒体３２のコシの強さにより記録媒体３２のおもて面と加熱定着ローラ１０表面との離間力が大きくなる。すなわち、ニップ出口後の加熱定着ローラ１０表面と記録媒体３２表面とのクリアランスが大きいと記録媒体３２は剥離しやすいと考える。

表３に、図１の定着装置にて実際に剥離性能を検討する実験を行った結果を示す。この実験では、上述の図４に示したものと同じ条件でニップ幅７〜８ｍｍと一定にし、加圧弾性部材２１の構成だけを変えて剥離実験を行った。また、記録媒体３２としては、坪量５５ｇ／ｃｍ^２の一般的なカット用紙上にフルカラー画像を付着させたものを用いた。

この結果、ゴム硬度８Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）、ゴム荷重方向厚さ２ｍｍの加圧弾性部材２１を用いた定着装置６にて、剥離性能が良くなることが確認できた。他の２種類の加圧弾性部材を用いたケースに関しては十分な剥離性能を得ることはできなかった。これは、上述の図５の各直線（用紙姿勢を模擬した線）が示すように、加圧弾性部材２１のゴム硬度８Ｈｓ、ゴム荷重方向厚さ２ｍｍの場合、加熱定着ローラ１０の弾性層１３の変形形状が適正化され、剥離性能が向上したことが確認できたといえる。

また、上述のように加圧弾性部材２１のゴム搬送方向幅としては、最大ニップ幅よりも小さい加圧弾性部材２１を用いることにより、剥離特性を向上させることができる。ここで、最大ニップ幅とは、無限平板を用いて形成されるニップ幅であり、構成上（ゴム硬度、ゴム厚さ、荷重設定後）の最大ニップ幅である。すなわち、加圧弾性部材２１の搬送方向幅が無限に大きい場合に形成できるニップ幅である。最大ニップ幅よりも小さい加圧弾性部材２１を用いることにより、加圧弾性部材２１の搬送方向端部が加熱定着ローラ１０の弾性層１３に食い込むようになり、剥離性能を向上することができるという効果がある。

さらに表３を用いて詳細に考察すると、ゴム硬度８Ｈｓ、ゴム荷重方向厚さ２ｍｍの加圧弾性部材２１を用いたとき、ゴム変形率の変化率（表１参照）が−３０％以下になる（１５００−＞１０５０％／（ｋｇｆ／ｍｍ^２））圧力値（約０．０２５ｋｇｆ／ｍｍ^２）以上で構成されているニップ領域は約５．０ｍｍで、全体のニップ領域の６３％を占めているのがわかる。この領域が５０％以上ある場合のみ、加熱定着ローラ１０の弾性層１３の変形形状の曲率が充分に大きくなり、効率的に剥離性能を向上させることができるといえる。これに比べ、ゴム硬度２０Ｈｓ、ゴム荷重方向厚さ４ｍｍの加圧弾性部材２１を用いたとき、ゴム変形率（表１参照）の変化率が−３０％以下になる（６５０−＞４５５％／（ｋｇｆ／ｍｍ^２））圧力値（約０．０４２ｋｇｆ／ｍｍ^２）以上で構成されているニップ領域は約１．０ｍｍで、全体のニップ領域の１３％を占めているのがわかる。さらに、ゴム硬度３０Ｈｓ、ゴム荷重方向厚さ４ｍｍの加圧弾性部材２１を用いたとき、ゴム変形率（表１参照）の変化率が−３０％以下になる圧力値以上で構成されているニップ領域も無いのが分かる。このため、加圧弾性部材２１のゴム硬度３０Ｈｓ、厚さ４ｍｍの場合、加熱定着ローラ１０の弾性層１３の変形形状の曲率が小さく、充分な剥離性能が得られないといえる。

また、図４の加熱定着ローラ１０のニップ部の圧力分布図で示ように、曲線６３は曲線６４、６５に比べて、急勾配分布になっているのがわかる。図４の曲線６３は、圧力分布中央領域にてゴム変形量が飽和する領域（変形の限界領域）に近づくことで、ゴム弾性分が大きく低下し、硬度が硬くなる様な現象が起き、この領域内の加熱定着ローラ１０の弾性層１３の局所的な変形を生み、ニップ出口部の用紙突出姿勢を適正化することができたと考える。

更に、ニップ出口後の加熱定着ローラ１０表面と用紙表面とのクリアランスが大きいと用紙は剥離しやすいと言う考えから、加熱定着ローラ１０の外径もこのクリアランスを決めるパラメータのひとつであることがわかる。そこで、加熱定着ローラ１０の各特性を以下のように変化させて、剥離特性について検討する実験をおこなった。この結果を表４に示す。

表４にしめす実験により、加熱定着ローラ１０は、外径が２７ｍｍより大きいと剥離性能が低下するのが確認できた。よって、加熱定着ローラ１０の外径は２７ｍｍ以下が望ましい。また、加熱定着ローラ１０の弾性層１３の厚さも、加熱定着ローラ１０表面と用紙表面とのクリアランスを決めるパラメータのひとつであることが分かる。今回の実験から、ゴム厚さが０．８ｍｍより小さいと、剥離性能が低下することがわかった。これは加熱定着ローラ１０の弾性層１３の厚さが薄くなるにつれ変形量が小さくなり、ニップ出口部の用紙突出姿勢を適正な状態にできない為と考える。よって、加熱定着ローラ１０の弾性層１３の厚さは０．８ｍｍ以上が望ましい。また、加熱定着ローラ１０の弾性層１３のゴム硬度も、クリアランスを決めるパラメータのひとつであることがわかる。今回の実験から、ゴム硬度が８Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）より大きいと、剥離性能が低下することがわかった。これは加熱定着ローラの弾性層１３の硬度が高くなるにつれ、変形量が小さくなり、ニップ出口部の用紙突出姿勢を適正な状態に出来ない為と考える。よって、加熱定着ローラ１０の弾性層１３のゴム硬度は８Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）以下が望ましい。

次に、上記画像形成装置に採用される他の定着装置の実施形態をしめす。図６は、他の定着装置の概略構成図である。この定着装置では、加熱手段が加熱定着ローラ１０でなく、無端状加熱部材１５を用いたものであり、弾性部としての加圧弾性部材１８と、加圧弾性部材１８を支持する加圧支持部材１９と、熱源１６と、無端状加熱部材１５を張架すると同時に加熱する加熱ローラ１７と、内部に熱源を持たずに無端状加熱部材１５を張架しながら回転する従動ローラ７２とを備えている。加熱弾性部材１８は、表面に無端状加熱部材１５との間の摩擦を低減するための低摩擦層を備えていることが好ましい。また、熱量が足りない場合は、無端状加熱部材１５に外側から、加熱ローラ７１、７３を接触させて、加熱する方法もある。無端状加熱部材１５を駆動する駆動源は加熱ローラ１７にあるが、従動ローラ７２に設けても良い。なお、加圧手段等のここで言及しない構成については、図２の定着装置と同じである。図６にしめす定着装置においても、加熱手段の加圧弾性部材１８は無端状部材を介して加圧手段２０の表面が平坦な加圧弾性部材２１にめり込んで表面曲率に沿ったニップ部を形成する。このニップ部領域内で、加圧弾性部材２１の変形量が飽和する領域（最大変形量）近傍となるように付勢することにより硬くし、表面曲率に沿って形成されたニップ領域内の曲率を大きくするように変形させる。さらに、図６にしめす定着装置は、図２のような加熱ローラ１０を用いる定着装置に比べ、無端状加熱部材１５を用いるので、装置全体の大きさに与える影響が少なく留めながら、ニップ幅やニップ出口部の変形形状を調整することができるというメリットがある。なお、加圧手段２０の加圧弾性部材２１の幅を加熱手段の加圧弾性部材１８の幅に比べて同等、もしくは小さく設定する必要がある。

また、上記図１の画像形成装置は単色画像を形成するものであるが、複数色のトナーを重ね合わせてカラー画像を形成する画像形成装置に上記定着装置を採用するとよい。これは、複数色を重ね合わせた多量のトナーを記録媒体に定着するには、ニップ部内で十分に加熱、加圧し、トナーを充分に溶融・混色させて定着させることが必要である。このため、ニップ部内で溶融トナーと加熱定着ローラ表面との界面の付着力が大きくなり、単色の画像形成装置に比べ剥離し難くなっている。このようなカラー画像形成装置に上記定着装置を採用すると、剥離性能の向上に大きな効果が得られる。

以上、本実施形態に係る画像形成装置では、ニップ部領域内で加圧手段２０の加圧弾性部材２１の変形量が飽和する領域（変形の限界領域）に近づくことで、ゴム弾性分が大きく低下し、硬度が硬くなる。加圧弾性部材２１が硬くなった状態で加熱定着ローラ１０の弾性層１３表面曲率に沿って形成されるニップ領域の曲率を大きくする。これにより、装置を大型化することなく、記録媒体に与えるダメージを緩和すると共に、ニップ領域の局部的な弾性変形による画像ズレを防止する。また、弾性層１３のニップ領域の曲率を大きくすることで、ニップ出口部の記録媒体の突出姿勢を適正化して剥離性能を向上させる。
また、加圧手段２０の加圧弾性部材２１の記録媒体搬送方向の幅が、無限平板を用いて加熱定着ローラ１０の弾性層１３を圧接したときに形成されるニップ幅と同じ幅もしくはそれ以下とする。これにより、加圧弾性部材２１の搬送方向端部が加熱定着ローラ１０の弾性層１３に食い込むようになり、剥離特性を向上することができる。
また、加圧手段２０の加圧弾性部材２１の低圧力領域（０〜０．０１０ｋｇｆ／ｍｍ^２）での荷重方向変形率（変形量／圧力）に比べて変化率が−３０％以下になる圧力値以上で構成されたニップ領域がニップ領域全体の５０％以上を占めるよう構成する。このように規定することで、加熱定着ローラ１０の弾性層１３の変形形状の曲率が効果的に大きくなるよう適正化し、剥離性能を効率的に向上させることができる。
また、加圧手段２０の加圧弾性部材２１のゴム硬度が８Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）以下、荷重方向厚さが２ｍｍ以下とする。このように、加圧弾性部材２１のゴム硬度および荷重方向厚さを適正化することで、圧力が上げすぎずに容易に加圧弾性部材２１の変形量が飽和する領域（変形の限界領域）に近づかせることができる。
また、加圧手段２０の加圧弾性部材２１の永久歪が４％以下とする。加圧弾性部材２１のゴム永久歪が大きい場合、ニップ形状の経時的変形が起き、定着特性及び剥離特性が不安定になることがある。ゴム永久歪が５％以上の場合、経時で剥離特性が低下することが確認できた。
また、加熱手段が弾性層１３の内部に熱源１６を有する回転可能な加熱定着ローラ１０とすることにより、低価格で上記定着装置を得ることができる。
また、加熱定着ローラ１０の外径が２７ｍｍ以下、弾性層１３のゴム硬度が８Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）以下、ゴム厚さが０．８ｍｍ以上とする。外径が２７ｍｍより大きいと曲率により剥離性能が低下するのが確認できた。また、弾性層１３の硬度が高くなるにつれ、変形量が小さくなり、８Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）より大きいとニップ出口部の用紙突出姿勢を適正な状態にできずに、剥離性能が低下するのが確認できた。また、弾性層１３の厚さが薄くなるにつれ、変形量が小さくなり、ゴム厚さが０．８ｍｍより小さいと、ニップ出口部の用紙突出姿勢を適正な状態にできずに剥離性能が低下するのが確認できた。
また、加熱定着ローラ１０の弾性層１３の永久歪４％以下とする。これは、加圧弾性部材２１のゴム永久歪が５％以上の場合、１００時間以上の加熱空転後の剥離特性が低下することが確認できた。
また、加熱手段が弾性層１８と熱源１６と無端状加熱部材１５と無端状加熱部材１５を張架する複数の回転可能なローラ１７、７２とを有しているものとする。このように加熱手段として無端状加熱部材１５を用いるので、加熱定着ローラ１を用いる場合に比べ、装置全体の大きさに与える影響が少なく留めながら、ニップ幅やニップ出口部の変形形状を調整することができるというメリットがある。
また、感光体上に複数の色のトナー像を形成して中間転写体上に転写して、中間転写体上のトナー像を記録媒体に転写し、記録媒体上に転写されたトナーを定着する定着装置を備えた画像形成装置に、上記定着装置を採用する。複数色のトナーを重ね合わせてカラー画像を形成する画像形成装置では、ニップ部内で十分に加熱、加圧し、トナーを充分に溶融・混色させて定着させるため、ニップ部内で溶融トナーと加熱ローラ表面との界面の付着力が大きくなり、単色の画像形成装置に比べ剥離し難くなっている。このようなカラー画像形成装置に上記定着装置を採用すると、剥離性能の向上に大きな効果が得られる。

本発明の一実施形態である画像形成装置の概略構成図。 画像形成装置に採用される定着装置の概略構成図。 加圧弾性部材のゴム物性値をしめすグラフ。 加熱定着ローラの圧力分布の測定結果をしめすグラフ。 加熱定着ローラのニップ部形状と出口部の用紙突出姿勢をしめすグラフ。 画像形成装置に採用される他の定着装置の概略構成図。

符号の説明

１ 感光体
２ 帯電装置
３ ＲＯＳ
４ 現像装置
５ 転写装置
６ 定着装置
７ 用紙トレイ
８ 定着装置
９ クリーナ
１０ 加熱定着ローラ
１２ 表面被覆層
１３ 弾性層
１４ 芯金
１５ 無端状加熱部材
１６ 熱源
１７ 加熱ローラ
１８ 加圧部材
１９ 加圧支持部材
２０ 加圧手段
２１ 加圧弾性部材
２２ 支持部材
２３ 無端状部材
２４ ガイド
２５ 低摩擦部材
２６ 加圧スプリング
２７ 潤滑油供給部材
３１ 未定着トナー
３２ 記録媒体
７１ 加熱ローラ
７２ 従動ローラ
７３ 加熱ローラ

Claims (10)

1. 弾性部と熱源とを有する加熱手段と、記録媒体を搬送する回転可能な無端状部材と該無端状部材を該加熱手段の弾性部に圧接させる加圧部材とからなる加圧手段とを備え、未定着のトナー像を担持した記録媒体を該加熱手段の弾性部と該加圧手段の無端状部材との間に形成されるニップ部を通過させることで未定着のトナー像を記録媒体に定着する定着装置において、
   上記加圧手段の加圧部材は表面が平坦な弾性部材と該弾性部材を該記録媒体側に付勢する付勢部材とを備え、上記ニップ部領域内で該弾性部材の変形量が飽和する領域（最大変形量）近傍となるよう該付勢部材で付勢することを特徴する定着装置。
2. 請求項１の定着装置において、上記加圧部材の弾性部材の記録媒体搬送方向幅が、無限平板を用いて上記加熱手段の弾性部を圧接したときに形成されるニップ幅と同じもしくはそれ以下であることを特徴とする定着装置。
3. 請求項１または２の定着装置において、上記加圧手段の弾性部材の低圧力領域（０〜０．０１０ｋｇｆ／ｍｍ^２）での荷重方向変形率（％／（ｋｇｆ／ｍｍ^２））に比べて変化率が−３０％以下になる圧力値以上で構成されたニップ領域が、ニップ領域全体の５０％以上を占めるよう構成すること特徴とする定着装置。
4. 請求項１、２または３の定着装置において、上記加圧手段の弾性部材のゴム硬度が８Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）以下、荷重方向厚さが２ｍｍ以下であることを特徴とする定着装置。
5. 請求項１、２、３または４の定着装置において、上記加圧手段の弾性部材の永久歪が４％以下であることを特徴とする定着装置。
6. 請求項１、２、３、４または５の定着装置において、上記加熱手段が上記弾性部の内部に上記熱源を有する回転可能な加熱定着ローラであることを特徴とする定着装置。
7. 請求項６の定着装置において、上記加熱定着ローラの外径が２７ｍｍ以下、該加熱定着ローラの弾性部のゴム硬度が８Ｈｓ（ＪＩＳ−Ａ）以下、ゴム厚さが０．８ｍｍ以上であることを特徴とする定着装置。
8. 請求項６または7の定着装置において、上記加熱定着ローラの弾性部の永久歪が４％以下であることを特徴とする定着装置。
9. 請求項１、２、３、４または５の定着装置において、上記加熱手段が上記弾性部と上記熱源と無端状加熱部材と該無端状加熱部材を張架する複数の回転可能なローラとを有していることを特徴とする定着装置。
10. 像担持体と、該像担持体上に静電潜像を形成する静電潜像形成手段と、該像担持体上の静電潜像に異なる色のトナー像を形成する複数の現像手段と、該像担持体上に形成されたトナー像を中間転写体上に転写する中間転写手段と、該中間転写体上のトナー像を記録媒体に転写する転写手段と、該記録媒体上に転写されたトナーを定着する定着装置とを備えた画像形成装置において、
    上記定着装置として請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９の定着装置を採用したことを特徴とする画像形成装置。

Images