JP4897395B2 - 定着装置及びこれを備えた画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、用紙（記録媒体）に粉体粒子状の像形成物質（トナー）で形成された未定着画像を定着する定着装置、及びこの定着装置を備える複写機、プリンタ、ファクシミリ、印刷機等の画像形成装置に関するものである。

複写機、ファクシミリ、プリンタ、さらには印刷機などの画像形成装置においては、記録媒体などの用紙（シート）上に転写されて担持されている未定着画像を加熱定着することにより複写物や記録物を得ることができる。また、記録媒体の種類も多岐にわたっている。
電子写真方式のカラー画像形成装置に用いられる定着装置は、加熱及び加圧すべき用紙上に転写された未定着画像のトナー厚さがモノクロ画像形成時に比較して厚いことから、トナーの溶融性能だけでなく、定着ローラからの分離性、発色性、光沢度、光沢ムラ等の画質面でもモノクロ画像よりも高い要求がなされている。

このため、従来のカラー画像形成装置用の定着装置では、互いに圧接して定着ローラを構成する加熱ローラ及び加圧ローラのそれぞれに弾性層（ゴム層等）を配置し、用紙搬送方向における加熱ローラと加圧ローラとの定着ニップ幅がモノクロ画像形成装置用の定着装置に比較して広くされている。
また、加熱ローラ側の弾性層の厚みを加圧ローラよりも厚くすることで、定着ニップの排紙方向を記録媒体の画像面と異なる方向にして分離性のマージンを上げている。
さらには、補助的な分離部材として分離爪や分離板等で強制的に加熱ローラから記録媒体を剥離するものもある。 さらに、トナー像と接触する面に弾性層を設けることで、トナー像の凹凸に追従して均一に接触することで、光沢ムラや色ムラなどを防止できる。このように、従来技術では、定着装置における不都合に対して種々の提案がなされている（例えば、特許文献１乃至６参照）。

定着装置では加熱ローラが大容量の熱源を用いて加熱され、加熱ローラ表面がカラートナーを充分に溶融できる設定温度に達することで、ウォームアップが終了して画像形成装置が画像形成可能な状態となる。加熱ローラに弾性層を備えると加熱ローラの加熱開始からウォームアップ終了まで長時間を要し、画像形成装置の省電力化及び高速化の要請に対処できない。
このような問題を解決するために、モノクロ画像形成用の定着装置と同様に０．３〜３．０ｍｍの肉厚のアルミ管、又は０．３〜３ｍｍの肉厚の鉄管等に０．１〜３．０ｍｍのシリコンゴムなどの弾性層を設け、さらに、離型性向上のための表面コート（例えば、ＰＦＡやＰＴＦＥ）を施した薄肉の加熱ローラと、定着ニップ幅を確保するために、加圧ローラ側には３．０〜１０．０ｍｍのシリコンゴムや発泡シリコンゴムなどの弾性層を用いた定着装置がある。

強度を向上するために、加熱ローラ内部にリブを設けているのもある。この場合、加熱ローラの熱容量が小さく、また、弾性層も薄いため、昇温時間が比較的短くなり、省電力化が可能である。
ところが、カラー画像形成用の定着装置では、上述のように、加熱ローラの弾性層が加圧ローラの弾性層よりも薄いため、定着ニップの排紙方向が加熱ローラ側になってしまい、用紙上のトナー像が加熱ローラに接触したまま排紙され、巻き付きジャムを発生する場合がある。前述の分離爪や分離板により強制的に剥離したとしても、巻き付き力が大きいと、画像面に擦りキズが発生し、画質を著しく低下させる場合がある。

そこで、用紙搬送方向における加圧ローラの下流側で加熱ローラに圧接する剥離ローラを設け、加熱ローラ、加圧ローラ及び剥離ローラの３本のローラで定着ローラを構成した画像形成用の定着装置が特許文献１で提案されている。
また、剥離ローラの外径を加熱ローラの外径よりも小さくし、また、剥離ローラの表面硬度は加熱ローラの表面硬度と同等以上にされている。これは、１対のローラ間を通過した用紙は、外径の小さいローラの周面に巻き付こうとすることと、加熱ローラの周面における弾性体を剥離ローラの周面となすニップ部分で凹状に変形させて用紙を剥離ローラ側に向かわせるためである。

加圧ローラの周面を加熱ローラの周面に比較して充分に柔軟に構成して広いニップ幅を確保することでカラートナーの溶融性を高めるとともに、剥離ローラによって加熱ローラの周面に対するトナーの離形性及び用紙の剥離性を高めることができる。
また、剥離ローラの外径を加熱ローラよりも小さくする必要があるために、剥離ローラを加熱ローラに押圧する際に撓みが生じ、剥離ローラと加熱ローラのなす剥離ニップ幅が均一にならず、安定した用紙分離性が確保できない場合がある。
特許文献２および３には、ニップ部下流で定着ローラに押し当てる熱供給ローラ、定着ローラとニップ部を形成する剥離部材が記載されている。また、このような剥離ニップの不均一を防止するために、特許文献４乃至６では、剥離ローラが加熱ローラとなすニップとは略逆側からバックアップローラで押し付けて撓みを防止している。
実開平４−８７８６６号公報 特開２００３−００５５５１公報 特開２００４−０８５６２５公報 特開２００５−１９５６４９公報 特開２００５−１７３０３０公報 特開２００５−１７３０３２公報

しかしながら、昇温時間を短縮するために、加熱ローラが薄肉化され、熱容量が低減されているため、特許文献４乃至６の場合においては、用紙幅が狭い用紙を連続的に通紙すると、通紙領域である加熱ローラの中央部の温度は下がり、非通紙領域である端部が高温になってしまう。
この状態で幅が広い用紙を通紙すると端部が高温のため、光沢ムラやトナーのホットオフセットなどを発生させ、画質を著しく劣化させることになる。また、加熱ローラ自体の弾性層や離型層も高温で劣化、破壊する恐れがある。

また、特許文献２および３では、熱供給ローラ又は剥離部材と定着ローラでなすニップ部へ用紙は通過せず、また、軸方向の熱を均一化するという機能、熱を均一化するための具体的な手段については記載されておらず、定着部材や剥離部材の軸方向の温度のバラツキ、用紙の分離と端部昇温防止についても記載されていない。また、薄肉の加熱ローラを用いた場合、熱容量が小さいため、連続通紙時に、用紙幅によって軸方向の温度ムラが起き、光沢ムラや定着不良が発生し易い。
そこで、本発明の目的は、上述した実情を考慮して、加熱ローラの軸方向の温度ムラを全域にわたって均一にし、用紙サイズによらず、省エネルギかつ低コストで高画質の画像を得る定着装置、及びこの定着装置を備えた画像形成装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、耐熱弾性層を有する定着ローラと、この定着ローラに圧接する加圧部材と、前記定着ローラと前記加圧部材で形成する第１ニップの下流側で、前記定着ローラに圧接して第２ニップを形成しかつ前記耐熱弾性層を変形させることで前記定着ローラから用紙を分離する分離部材を有する定着装置において、前記分離部材が軸方向の熱均一化部材であり、該熱均一化部材を構成する材料は、少なくとも金属もしくは金属に埋め込まれたヒートパイプと、硬質断熱材の組み合わせであることを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の定着装置において、前記ヒートパイプは複数で構成されることを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の定着装置において、前記分離部材がクラウン形状のローラであることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の定着装置を備えた画像形成装置を特徴とする。

本発明によれば、用紙幅が狭い場合に、非通紙領域と通紙領域の温度差が大きくなった場合でも、分離部材を金属等の高熱伝導の熱均一化部材で構成することで軸方向の熱を均一化できるため、画像の光沢度差（光沢ムラ）、ホットオフセット（定着不良）等の異常画像を防止でき、また、定着ローラ自体の寿命を延ばすことができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明による定着装置の第１の実施の形態における構成と各ローラの層構成を示す概略断面図である。図１において、この定着装置は３つのローラで構成されている。
すなわち、上流側から搬送される用紙Ｐが進入する第１ニップをそれらの間に形成する配置の定着ローラ１とこの定着ローラ１に対向して設けられる加圧ローラ２、さらにその搬送方向下流側に定着ローラ１に対向して設けられかつそれらの間に第２ニップを形成する分離ローラ３からなっている。
定着ローラ１内には熱源となるハロゲンヒータ４が配置され、そして定着ローラ１表面は、定着ローラ１の略軸方向中心で外部に設けられた図示してない温度センサと制御装置によってハロゲンヒータ４のオン、オフを制御して任意の温度に制御される。
また、定着ローラ１はφ３０〜４０の外形で、ＡｌまたはＦｅ製の肉厚０．４〜１．０ｍｍの芯金１３上に耐熱弾性層１２として０．２〜１．０ｍｍのシリコンゴムが設けられており、さらに最外層に１０〜５０μｍのフッ素系樹脂であるＰＦＡやＰＴＦＥ製の離型層１１が設けられる。芯金１３は撓みの強度を向上するために内部にリング状のリブを設けることで、芯金１３の薄肉化ができ、熱容量の低減と強度の向上が可能になっている。

加圧ローラ２は外径φ２０〜４０で、φ１０〜２０のＦｅやステンレス（ＳＵＳ）製の中実芯金１６の外側に弾性層１５として５〜１０ｍｍの発泡シリコンゴムが設けられ、最外層に離型層１４としてＰＦＡやＰＴＦＥ製のチューブが被覆される。
加圧ローラ２は図示してないばねで定着ローラ１に加圧され、第１ニップを形成する。第１ニップはニップ幅として５〜１０ｍｍ、面圧は０．５〜２ｋｇｆ／ｃｍ²程度となっている。また、加圧ローラ２は外径として端部よりも中央部の径が小さい逆クラウン形状になっている。
かかる構成によって、加圧ローラ２、定着ローラ１とニップを形成した際に、弾性層１５である発泡シリコンゴムの変形量が中央と端部で差ができる。この結果、用紙の搬送速度が中央と端部で連続的に変化し、中央部が遅く、端部が速くなって用紙Ｐが中央から端部に引っ張られる力が働き、しわの発生を防止できる。

第１ニップの下流側にはφ８〜１８の分離ローラ３が設けられる。最外層にはトナーとの離型性を向上させるための離型層１７としてＰＦＡもしくはＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂がコーティングもしくはチューブ状にしたものを被覆させている。
中実芯金１８の材質は熱伝導性の高いＦｅやステンレス（ＳＵＳ）製、ＡｌやＣｕで構成される。分離ローラ３は図示してないばねによって定着ローラ１に押圧され、第２ニップを形成する。
第２ニップは、ニップ幅が０．５〜３ｍｍで面圧が２ｋｇｆ以上になるような荷重に設定される。安定なニップ幅を形成するために、芯金１８と離型層１７間に０．０５〜０．２ｍｍ程度のシリコンゴムなどの弾性層を設けても良い。
この場合、定着ローラ１の弾性層１２の厚みよりも薄く、硬度が高い弾性層を用いる必要があり、第２ニップで分離ローラ３よりも定着ローラ１の弾性層１２の変形を大きくでき、排紙方向を分離ローラ３側にすることができる。

図２は本発明の定着装置を実施する画像形成装置を示す概略図である。図１に基づいて、本発明における定着装置２１及び画像形成装置２０の１例を説明する。
この画像形成装置２０本体の下部には給紙トレイ２２が配置され、転写紙Ｐが積載されている。給紙トレイ２２の上方には給紙コロ２４が配置され、この給紙コロ２４に圧接しているフリクションパッド２５により１枚ずつ分離して転写紙Ｐをレジストローラ２６へと搬送する。
給紙トレイ２２、給紙コロ２４及びフリクションパッド２５は給紙手段を構成している。レジストローラ２６の上方には、縦搬送路Ｂを挟んで感光体（像担持体）２７と転写ローラ２８が配置され、縦搬送路Ｂを上方に向かって移動する転写紙Ｐ上に、感光体２７上のトナー画像を転写する。

感光体２７、現像手段２９、帯電手段３０、クリーニング手段３１、転写ローラ２８は、画像形成部Ａを構成している。この画像形成部Ａの横方向には、書き込み光学系３２が配置されている。
感光体２７を含んだ画像形成部Ａの上方には、定着ローラ１と加圧ローラ２とからなる定着装置２１が配置され、熱と圧力により未定着トナー画像を転写紙Ｐに定着する。
なお、第１及び第２の排紙トレイ３１、３２は、画像形成部Ａよりも上側に位置し、かつコンタクトガラスＣＧ上の原稿画像を読み取るスキャナユニット３３よりも下方に位置しており、そして縦搬送路Ｂの終端付近に位置している。
第１の排紙トレイ３１の直前位置には、第１の排紙ローラ３４が配置され、第２の排紙トレイ３２の直前位置には第２の排紙ローラ３５が配置されている。第１の排紙トレイ３１は通常使用するためのトレイであり、第２の排紙トレイ１６はファクシミリやプリンタ画像などを仕分けしたい時に使用する補助的なトレイである。

次に、図１および図２を参照して、動作を説明する。プリント信号を受けると、定着ローラ１が図示してない駆動装置により所定の速度で回転を開始する。それに従動して加圧ローラ２及び分離ローラ３が回転する。
また、定着ローラ１内部のハロゲンヒータ４により定着ローラ１が加熱され、所定の温度１３０〜１８０℃で通紙可能になる。画像形成部Ａにより用紙Ｐ上に未定着のトナー像Ｔが形成され、定着装置２１に搬送される。

図３はニップ部を拡大して示す概略である。図３とともに参照すると、未定着トナー像Ｔを有する用紙Ｐは第１ニップに送られ、熱と圧力によって用紙Ｐにトナー像Ｔを定着する。この時、第１ニップの排紙方向は定着ローラ１面側になっており、定着ローラ１に沿って排紙される。
排紙された用紙は第２ニップを通過し、分離ローラ３の押圧力により、定着ローラ１の弾性層１２が凹状に変形しているため、分離ローラ３側に沿って図３のＣ方向に排紙され、用紙Ｐを定着ローラ１面より確実に剥離し、ジャム等の発生を防止できる。

定着ローラ１よりも小さいサイズ幅の用紙を連続的に通紙した際には、定着ローラ１の通紙領域（中央部）は用紙により定着ローラ１の熱が連続的に奪われていくため温度が低下し、そのため、ハロゲンヒータ４（図１）が連続的に点灯される。
この時、非通紙領域の定着ローラ１端部では用紙Ｐに熱が奪われないため、温度が上昇するが、定着ローラ１に押圧接触している分離ローラ３に熱が伝導し、分離ローラ３は軸方向に熱伝導率が高くなっているので、端部の熱が中央部に移動し、定着ローラ１の軸方向の温度ムラを防止し、均一な温度にすることが可能である。
これにより、定着ローラ１の劣化や、サイズが異なる用紙を連続的に通紙した場合でも、軸方向の温度ムラが生ぜず、画像の光沢ムラやホットオフセットなどの異常画像を防止できる。

図４は比較のために示す図２で使用した分離ローラの形状を示す概略図である。図５は図４とは異なる形状を有する分離ローラを示す概略図である。定着装置の第２の実施の形態では、第１の実施の形態とほぼ同様の構成で、図５に示すように、分離ローラ３の構成を変更している。
図４では、上述したように、分離ローラ３は、その材質が熱伝導性の高いＦｅやステンレス（ＳＵＳ）製、ＡｌやＣｕである中実芯金１８によって構成されている。図５では、分離ローラ３は、中空芯金１９に接触するようにして分離ローラ３の中心にヒートパイプ３６を設ける。
ヒートパイプ３６はＣｕやＡｌに比べ１００倍以上の熱伝導率があるため、第１の実施の形態の場合の金属製中実芯金１８よりも軸方向の温度差を小さくすることができる。

図６は分離ローラ内に複数のヒートパイプを配置した構成を示す概略図である。この第３の実施の形態では、第２の実施の形態とほぼ同様の構成で、分離ローラ３の構成を変更している。
分離ローラ３に第２の実施の形態の場合よりも径の細いヒートパイプ３７を分離ローラ３の芯金３９の外周近傍に複数個設ける。ヒートパイプ３７が外周近傍に配置されており、また、複数のヒートパイプを使用することでさらに効率よく軸方向の熱を均一化可能にし、第２の実施の形態の場合よりもさらに軸方向の温度差を低減できる。

図７は中心に硬質断熱材を有する分離ローラを示す概略図である。第４の実施の形態では、第３の実施の形態とほぼ同様の構成で、分離ローラ３の構成を変更している。
分離ローラ３の中心に硬質断熱材３８として中空ビーズやセラミック繊維、エンボスフィルム積層部材などの断熱材をシリコン系接着材でバインドしたものや細孔状のセラミックである中空セラミックが設けられる。この硬質断熱材３８は弾性体をほとんど含まず、硬質で中空ガラスビーズや気泡によって空気の含有率が高く、熱伝導率が０．２Ｗ／ｍＫ以下になっており、断熱性が高い。

この外周に図６に示したと同様に径の細いヒートパイプ３７を分離ローラ３の外周近傍に複数個設ける。ヒートパイプ３７が外周近傍にあり、また、その内部は断熱されているので、見かけ上の熱容量が小さくできるため、装置の立ち上げ時の昇温時間を短縮可能で、かつ軸方向の温度差の低減が可能である。
このように、分離部材（分離ローラ）３の一部に硬質断熱材３８を使用することで、分離ローラ３の見かけ上の熱容量を低減し、定着ローラ１の昇温時間を短縮する。また、金属やヒートパイプなどの高熱伝導率の部材との組み合わせにより定着ローラ１の軸方向の熱の均一化が可能である。

図８は芯金内部にヒートパイプを備える分離ローラを示す概略図である。第５の実施の形態である分離ローラ３は、第２乃至第４の実施の形態と同様に芯金３９内部にヒートパイプ３６を備え、芯金３９の径が長手方向で異なっている。
図８に示すように、芯金３９は中央部がもっとも太く（直径ａ）、端部に行くほど径が細く（直径ｂ）なるようなクラウン形状を採る。このような形状にすることによって、定着ローラ１（図３）に押圧した際に分離ローラ３の撓みが補正され、軸方向に均一な圧力で押圧される。
従って、定着ローラ１と分離ローラ３は均一なニップ幅で接触するため、第２乃至第４の実施の形態の場合に比べ、定着ローラ１からの熱伝導の偏りが小さくなり、より効率よく軸方向の温度差を低減できる。

このように、分離ローラ３の芯金３９をクラウン形状にして、金属やヒートパイプで構成することで、撓みと撓みに起因する熱伝導ムラを低減し、軸方向の熱の均一化が可能となる。

本発明による定着装置の第１の実施の形態における構成と各ローラの層構成を示す概略断面図である。 本発明の定着装置を実施する画像形成装置を示す概略図である。 ニップ部を拡大して示す概略である。 比較のために示す図２で使用した分離ローラの形状を示す概略図である。 図４とは異なる形状を有する分離ローラを示す概略図である。 分離ローラ内に複数のヒートパイプを配置した構成を示す概略図である。 中心に硬質断熱材を有する分離ローラを示す概略図である。 芯金内部にヒートパイプを備える分離ローラを示す概略図である。

符号の説明

Ａ 画像形成装置
Ｔ トナー（トナー像）
Ｐ 用紙（記録媒体）
１ 定着ローラ
２ 加圧部材（加圧ローラ）
３ 分離部材（分離ローラ、熱均一化部材）
４ ハロゲンヒータ
１２ 弾性層（耐熱弾性層、シリコンゴム）
１３ 芯金（定着ローラ１の）
１８ 中実芯金（分離ローラ３の）
１９ 中空芯金（分離ローラ３の）
３６ ヒートパイプ
３７ ヒートパイプ
３８ 硬質断熱材
３９ 芯金（分離ローラ３の）

Claims (4)

1. 耐熱弾性層を有する定着ローラと、この定着ローラに圧接する加圧部材と、前記定着ローラと前記加圧部材で形成する第１ニップの下流側で、前記定着ローラに圧接して第２ニップを形成しかつ前記耐熱弾性層を変形させることで前記定着ローラから用紙を分離する分離部材を有する定着装置において、
   前記分離部材が軸方向の熱均一化部材であり、該熱均一化部材を構成する材料は、少なくとも金属もしくは金属に埋め込まれたヒートパイプと、硬質断熱材の組み合わせであることを特徴とする定着装置。
2. 前記ヒートパイプは複数で構成されることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
3. 前記分離部材がクラウン形状のローラであることを特徴とする請求項１または２記載の定着装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項記載の定着装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。

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