JP6643031B2 - 定着装置 - Google Patents

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Description

本発明は、耐久性を向上させた定着装置に関する。
電子写真方式の複写機やプリンタ等の画像形成装置に搭載される定着装置は、加熱回転体と、それに圧接する加圧ローラとで形成された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してトナー像を記録材に定着するものが一般的である。
特許文献1には、加熱回転体としてハロゲンヒータを内包した筒状の定着ローラと、加圧ローラを用いた熱ローラ方式の定着装置が開示されている。この熱ローラ方式において、省エネルギー性とファーストプリント時間短縮の為には、定着ローラの更なる薄肉化が求められる。そして、定着ローラの長手方向に渡って撓まず均一な加圧力をかける為には、定着ローラ内側を固い摺動部材でバックアップさせることが必要である。
特許第04961047号公報
しかしながら、摺動部材の記録材搬送方向の位置公差や、摺動部材と回転体としての定着ローラの長手方向(回転軸方向)のアライメントが公差でずれた場合に、摺動部材と回転体の定着ニップ部において、片当たりが発生してしまう。その結果、摺動部材と回転体としての定着ローラの摩耗が促進され、定着装置の耐久性を著しく低下させてしまうという課題があった。
本発明の目的は、摺動部材と回転体の片当たりに起因する摩耗を低減し耐久性を向上させた定着装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明に係る定着装置は、筒状の回転体と、前記回転体の内周面に接触する摺動部材と、前記回転体の外周面に接触し、前記回転体を介して前記被摺動部材と共にニップ部を形成する加圧ローラと、前記回転体の内周側の空間に設けられており、前記摺動部材の前記回転体と接触する面とは反対側の面と接触して前記摺動部材を保持する保持部材と、を有し、未定着トナー像が形成された記録材を前記ニップ部で挟持搬送しつつ加熱して記録材に未定着トナー像を定着させる定着装置であって、前記回転体の母線方向に見たとき、前記被摺動部材の前記反対側の面および前記反対側の面と接触する前記保持部材の面の少なくとも一方は、互いに近づく方向にの曲面形状であり、この曲面形状により前記被摺動部材が前記保持部材に対して前記母線方向と略平行な軸を中心に揺動可能になっていることを特徴とする。
本発明によれば、摺動部材と回転体の片当たりに起因する摩耗を低減し耐久性を向上させた定着装置を提供することができる。
本発明の実施形態に係る定着装置を搭載した画像形成装置の概略構成図 第1の実施形態に係る定着装置の搬送方向断面図 第1の実施形態に係る定着装置の軸方向正面図 第1の実施形態における摺動部材及び摺動部材ホルダの断面図 比較例1の摺動部材及び摺動部材ホルダの断面図 摺動部材表層の耐久削れ量を示す図 断面形状と耐久枚数との関係を示す図 第2の実施形態に係る定着装置の斜視図及び正面図 第3の実施形態に係る定着装置の斜視図及び正面図 摺動部材表層の耐久削れ量を示す図 断面形状と耐久枚数との関係を示す図
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
《第1の実施形態》
(画像形成装置)
図1は、本発明の実施形態に係る定着装置を搭載した画像形成装置100の概略構成図である。画像形成装置100は、電子写真方式のレーザービームプリンタである。101は像担持体としての感光体ドラムであり、矢示の時計方向に所定のプロセススピードにて回転駆動する。感光体ドラム101は、その回転過程で帯電ローラ102により所定の極性・電位に一様に帯電処理される。
103は画像露光手段としてのレーザービームスキャナであり、不図示のコンピュータ等の外部機器から入力されるデジタル画素信号に対応してオン/オフ変調されたレーザー光Lを出力して、感光体ドラム101の帯電処理面を走査露光する。この走査露光により、感光体ドラム101表面の露光明部の電荷が除電されて、感光体ドラム101表面に画像情報に対応した静電潜像が形成される。104は現像装置であり、現像ローラ104aから感光体ドラム101表面に現像剤(トナー)が供給されて、感光体ドラム101表面の静電潜像は、可転写像であるトナー像として順次に現像される。
105は給紙カセットであり、記録材Pを積載収納させてある。一般に、記録材とは、画像形成装置によってトナー像が形成されるシート状の部材であり、例えば、定型或いは不定型の普通紙、厚紙、薄紙、封筒、葉書、シール、樹脂シート、OHPシート、光沢紙等が含まれる。
給紙スタート信号に基づいて給紙ローラ106が駆動されて、給紙カセット105内の記録材Pは、一枚ずつ分離給紙される。そして、レジストローラ対107を介して、感光体ドラム101と接触して従動回転する転写ローラ108との当接ニップ部である転写部位108Tに、所定のタイミングで導入される。すなわち、感光体ドラム101上のトナー像の先端部と記録材Pの先端部とが、同時に転写部位108Tに到達するように、レジストローラ107で記録材Pの搬送が制御される。
その後、記録材Pは転写部位108Tを挟持搬送され、その間、転写ローラ108には不図示の転写バイアス印加電源から所定に制御された転写電圧(転写バイアス)が印加される。転写ローラ108にはトナーと逆極性の転写バイアスが印加され、転写部位108Tにおいて感光体ドラム101表面側のトナー像が記録材Pの表面に静電的に転写される。転写後の記録材Pは、感光体ドラム101表面から分離されて搬送ガイド109を通り加熱装置としての定着装置Aに導入される。
定着装置Aでは、トナー画像の熱定着処理を受ける。一方、記録材Pに対するトナー像転写後の感光体ドラム101表面はクリーニング装置110で転写残トナーや紙粉等の除去を受けて清浄面化され、繰り返して作像に供される。定着装置Aを通った記録材Pは、排紙口111から排紙トレイ112上に排出される。
(定着装置)
本実施形態における定着装置Aは、ハロゲン加熱方式の装置である。図2は本実施形態の定着装置Aの搬送方向断面図、図3は軸方向正面図である。加圧部材としての加圧ローラ8は、芯金8aと、芯金8aの周りに同心一体にローラ状に成形被覆させたシリコーンゴム・フッ素ゴム・フッ素樹脂などの耐熱性・弾性材層8bが3.5mmと、表層に離型層8cが15〜25μm設けてあり、直径は25mmである。
弾性層8bは、シリコーンゴム、フッ素ゴム、フルオロシリコーンゴム等で耐熱性がよい材質が好ましい。芯金8aの両端部は定着装置Aのシャーシ側板金間に軸受けを介して回転自由に保持させて配設してある。
また、図3に示す通り、加圧用ステイ5の両端部と装置シャーシ側のバネ受け部材18a、18bとの間にそれぞれ加圧バネ17a、17bを縮設することで加圧用ステイ5に、押し下げ力を作用させている。尚、本実施形態の定着装置Aでは、総圧約100N〜250N(約10kgf〜約25kgf)の押圧力を与えている。これにより、摺動部材19と加圧ローラ8とが定着ローラ1を挟んで圧接して、所定幅の定着ニップ部(ニップ部)Nが形成される。
摺動部材19は、円筒形回転体としての定着ローラ1の撓み防止の為、純アルミ(A1050P)等の高熱伝導部材で構成されて定着ローラ1に内接している。そして、摺動板部材19の表層における摺動面は、フッ素系、シリコン系などの摩擦係数が低く、耐熱性のコーティング層20を30〜50μm施している。
加圧ローラ8は駆動手段Mにより矢示の反時計方向に回転駆動し、定着ローラ1の外面との摩擦力で定着ローラ1に回転力が作用される。摺動部材19は耐熱性樹脂PPS等で構成された保持部材としての摺動部材ホルダ21に保持されている。摺動部材19と摺動部材ホルダ21の詳細については、後述する。
図3に示すフランジ部材12a・12bは、摺動部材ホルダを兼ねたローラガイド21の左右両端部に外嵌し、定着ローラ1の回転時に定着ローラ1の端部を受けて定着ローラ1の寄り移動を規制する役目をする。フランジ部材12a・12bの材質としては、樹脂、とくに耐熱性の良い樹脂材料が好ましい。
定着ローラ1は、図2に示すように、直径10〜50mmの基層1aと、その外面に積層した弾性層1bと、さらに外面に積層した離型層1cを備える複合構造の筒形回転体である。基層1aは、アルミや、SUS、鉄等の金属で、厚みは従来よりも薄肉化した500μm以下(より具体的には150〜500μm)である。また、弾性層1bは、シリコーンゴム・フッ素ゴム等で、厚み200〜800μmである。また、離型層1cは、フッ素樹脂等で15〜25μm設けてあり、直径は30mmである。
定着ローラ1の内側には加熱体としてのハロゲンヒータ22が側板に固定され、このハロゲンランプで定着ローラ1を定着ローラ1内面側から加熱する。これにより、定着ニップ部Nに通紙される記録材Pを加熱してトナーTの定着がなされ、不図示の分離爪で記録材Pが分離されることで、記録材Pは排出される。
反射部材23は、加圧用ステー5とハロゲンヒータ22との間に配置され、高融点の金属材料で構成される。この反射部材23の配置により、ハロゲンヒータ22から加圧用ステー5側に放射された光が定着ローラ1側に反射され、定着ローラ1を効率よく加熱することが可能になる。
定着装置Aの温度検知は、定着ローラ1の回転軸方向(長手方向)の中央部および両端部に配設された非接触型の検温素子9、10、11によって行われる。ここで温度制御は定着ローラ1の軸方向中央の検温素子9によって検出された温度を基に行われ、これにより定着ローラ1は加熱されて表面の温度が所定の目標温度に維持される。
(摺動部材と摺動部材ホルダ)
以下、図4に本実施形態(実施例1)、図5に比較例1のそれぞれ摺動部材と摺動部材ホルダを示す。本実施形態(実施例1)と比較例1の摺動部材については、厳密には異なる形状であるが、便宜的に図において同じ符号19を用いている。図4、図5において、z方向は長手方向(第1の方向)、x方向は記録材搬送方向(第2の方向)、y方向は加圧方向(一般的には上下方向)である。因みに、定着ローラ1は長手方向(第1の方向)に伸びた回転体(筒状回転体)となっている。
図4に関し、図4(a)(b)は摺動部材19と摺動部材ホルダ21の長手方向(第1の方向、z方向)に直交する断面図)、図4(c)は摺動部材19と摺動部材ホルダ21の斜視図である。
図4に関し、長手方向(第1の方向、z方向)に直交する断面内において、摺動部材19の定着ニップ部Nを形成するための押圧面19bは曲率半径R=13.98mmの凸形状である。一方、摺動部材19の座面19aは、加圧方向(+y方向)に凸形状であってクラウン量は200μmである。そして、長手方向(第1の方向、z方向)に直交する断面内において、摺動部材19の座面19aは、摺動部材ホルダ21の平面形状の対向面21aと搬送方向(x方向)の中央部で接触する。
一方、比較例1においては、図5(a)に示す断面図のように、摺動部材19の座面及び、摺動部材ホルダ21の摺動部材19との接触面は共に平面形状である。
(効果の比較)
次に、本実施形態(実施例1)、比較例1において、記録材Pをプロセススピード296mm/secで通紙した時の、摺動部材表面のコーティング層20の削れ量を評価した。ハロゲンヒータ22への電力は、検温素子9で170℃に保たれるように制御した。
本実施形態(実施例1)の定着ニップ幅は10mmであり、記録材Pは、ゼロックス社製Business4200(坪量75g/m)、LTRサイズ(216mm×279mm)を用いた。通紙方向はLTRの縦(297mm)が通紙方向と平行とし、記録材P上に印字率5%でトナー像を載せて間欠通紙した。間欠評価は2枚毎に4sec空回転させる条件で耐久を実施した。図6に、本実施形態(実施例1)と比較例1のコーティング層20の最も削れている箇所での摺動部材19の表層削れ量を比較した結果を示す。
本実施形態(実施例1)が比較例1に比べて耐久性が向上する理由を、以下に述べる。図5(b)は、比較例1において、摺動部材19及び摺動部材ホルダ21と定着ローラ1との位置がx軸方向に公差でずれた場合の、摺動部材19と定着ローラ1の接触状態を示したものである。摺動部材19の表面の円弧の中心と、定着ローラ1の円弧の中心が一致しない為、図5(b)のBにおける箇所で、片当たりが発生して摩耗が促進されてしまう。
一方、本実施形態(実施例1)では、搬送方向の位置が公差でずれた場合であっても、摺動部材19の座面19aがクラウン形状によって、耐久性を向上させることができる。即ち、本実施形態(実施例1)では、加圧用ステー5に押圧力が加わった時に、定着ローラ1と摺動部材19の接触面の円弧が一致するように摺動板部材19に図4(b)における矢印C方向の回転力が働く。そのため、比較例1に見られる、片当たりを効果的に抑制し、耐久性を向上させることができる。
図7に示す実験例1〜4は、摺動部材19の座面19aと、摺動部材19が接触する摺動部材ホルダ21の対向面21aの少なくとも一方が凸形状である構成を示している。更に、コーティング層20の削れ量10μmに到達するまでの各実験例における耐久枚数の関係を示している。
実験例1は、摺動部材19の座面と摺動部材ホルダ21の接触面において、摺動部材19が平面、摺動部材ホルダ21が−y方向に200μmのクラウン形状である。
実験例2は、摺動部材19の座面と摺動部材ホルダ21の接触面において、摺動部材19が+y方向に200μmのクラウン形状、摺動部材ホルダ21が−y方向の200μmのクラウン形状である。
実験例3は、摺動部材19の座面と摺動部材ホルダ21の接触面において、摺動部材19が+y方向に200μmのクラウン形状、摺動部材ホルダ21が+y方向に150μmのクラウン形状である。
実験例4は、摺動部材19の座面と摺動部材ホルダ21の接触面において、摺動部材19が−y方向に150μmのクラウン形状、摺動部材ホルダ21が−y方向に200μmのクラウン形状である。
本実施形態(実施例1)と同様に実験例1〜4は摺動部材19の座面と摺動部材ホルダ21の摺動部材19との接触面の少なくとも一方が凸形状である。このため、加圧用ステー5に押圧力が加わった時に、定着ローラ1と摺動部材19の接触面の円弧が一致するように摺動板部材19に回転力が働く。その結果、コーティング層20の片当たりを効果的に抑制し、耐久性を向上させることができる。
《第2の実施形態》
以下、本発明に係る第2の実施形態について説明する。摺動部材19及び摺動部材ホルダ21を除く構成は、第1の実施形態と同様である為、説明は省略する。
(摺動部材と摺動部材ホルダ)
本実施形態は、第1の実施形態(実施例1)と同様に、摺動部材19の座面および保持部材21の対向面21aの少なくとも一方は、長手方向(第1の方向)に直交する断面内で凸形状である。具体的には、摺動部材19の座面19aは、加圧方向(+y方向)に凸形状であってクラウン量は200μmである。そして、長手方向(第1の方向、z方向)に直交する断面内において、摺動部材19の座面19aは、摺動部材ホルダ21の平面形状の対向面21aと搬送方向(x方向)の中央部で接触する。
更に、本実施形態では、長手方向(第1の方向)において、摺動部材19の搬送方向(第2の方向)で下流側の第1の面と、保持部材21の搬送方向で下流側の第2の面の少なくとも一方は、第1の方向および第2の方向を含む断面内で凸形状となっている。
図8(a)(b)に、本実施形態に係る摺動部材19と摺動部材ホルダ21の斜視図及びy軸方向から見た図を示す。z軸方向から見た断面図は、第1の実施形態(実施例1)と同様である。一方、摺動部材19の記録材搬送方向(x方向)で下流側の突き当て面(第1の面)は平面であり、摺動部材ホルダ21の摺動部材19と接触する面(第2の面)は凸形状であってクラウン量は−x方向に200μmとなっている。
本実施形態の効果については、次に示す第3の実施形態と比較したものを後述する。
《第3の実施形態》
第2の実施形態(実施例2)に対し、第3の実施形態(実施例3)は図9に示すように、摺動部材19の座面が平面であり、摺動部材ホルダ21の摺動部材19との対向面が凸形状であってクラウン量は−y方向に200μmである。摺動部材19及び摺動部材ホルダ21のx軸方向下流の面は、第2の実施形態(実施例2)と同様である。
(第2の実施形態と第3の実施形態の効果の比較)
第1の実施形態(実施例1)と同様の条件で、耐久を実施した。図10に第2の実施形態(実施例2)と第3の実施形態(実施例3)のコーティング層20の最も削れている箇所での削れ量を比較した結果を示す。第2の実施形態(実施例2)が第3の実施形態(実施例3)に比べて耐久性が向上する理由を、以下に述べる。
図9(b)は、実施例3において、摺動部材19と定着ローラ1の角度が公差でずれた場合の、摺動部材19の回転軸Fと定着ローラ1の円筒の中心軸を示したものである。摺動部材ホルダ21のx軸方向下流の面にクラウンが付いている為、摺動部材19と定着ローラ1の角度を補正するように回転力D(図9(b))が働く。
しかしながら、回転軸Fと定着ローラ1の円筒の中心軸が一致しない為、図9(b)における公差角がついた時の記録材Pの搬送方向(以後、x’方向とする)の摺動部材19と定着ローラ1の位置公差を補正することができない。その結果、摺動部材19と定着ローラ1の片当たりを以下に示す第2の実施形態(実施例2)ほど十分には抑制できない。
一方、本実施形態(実施例2)では、摺動部材19と定着ローラ1の角度が公差でずれた場合に、第3の実施形態(実施例3)と同様に回転力Dが働くだけでなく、定着ローラ1の円筒の中心軸と一致するように、摺動部材19にはEの回転力が働く。これは、摺動部材19の座面に+y方向のクラウンがついているためであり、これによりx’方向の摺動部材19と定着ローラ1の位置公差も補正することができる。その結果、摺動部材19と定着ローラ1のアライメントずれや搬送方向の位置ずれに起因する片当たりを効果的に抑制し、耐久性を向上させることができる。
図11に示す実験例5〜8は、摺動部材19と摺動部材ホルダ21のz軸方向(第1の方向)に直交する断面形状は第1の実施形態(実施例1)と同様である。即ち、図4に示すように、摺動部材19の座面19aは、加圧方向(+y方向)に凸形状であってクラウン量は200μmである。そして、長手方向(第1の方向、z方向)に直交する断面内において、摺動部材19の座面19aは、摺動部材ホルダ21の平面形状の対向面21aと搬送方向(x方向)の中央部で接触する。
図11では、各実験例で、長手方向(第1の方向)において、摺動部材19の搬送方向(第2の方向)で下流側の第1の面と、保持部材21の搬送方向で下流側の第2の面の少なくとも一方は、第1の方向および第2の方向を含む断面内で凸形状を示す。更に、図11では、コーティング層20の削れ量10μmに到達するまでの耐久枚数の関係も示す。
実験例5は、摺動部材19の下流突き当て面が+x方向に200μmのクラウン形状であって、摺動部材ホルダ21の摺動部材19との接触面が平面である。実験例6は、摺動部材19の下流突き当て面が+x方向に150μmのクラウン形状であって、摺動部材ホルダ21の摺動部材19との接触面が−x方向に200μmのクラウン形状である。
実験例7は、摺動部材19の下流突き当て面が+x方向に200μmのクラウン形状であって、摺動部材ホルダ21の摺動部材19との接触面が+x方向に150μmのクラウン形状である。実験例8は、摺動部材19の下流突き当て面が−x方向に150μmのクラウン形状であって、摺動部材ホルダ21の摺動部材19との接触面が−x方向に200μmのクラウン形状である。
本実施形態(実施例2)と同様に実験例5〜8は、摺動部材19の座面が+y方向にクラウン形状であって、摺動部材ホルダ21の摺動部材19との接触面の平面である。且つ、摺動部材19の下流突き当て面と摺動部材ホルダ21の摺動部材19の接触面の少なくとも一方が凸形状である。このため、x’方向の位置公差のずれを補正するだけでなく、定着ローラ1の中心軸と摺動部材21の角度がずれた場合においても、角度を補正することによって摩耗を効果的に抑制できる。その結果、コーティング層20の片当たりを効果的に抑制し、耐久性を向上させることができる。
(変形例)
上述した実施形態では、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の範囲内で種々の変形が可能である。
(変形例1)
第1、第2の実施形態及び実験例1〜8で説明した摺動部材19及び摺動部材ホルダ21の形状は、これに限られない。摺動部材19と定着ローラ1のx’方向の位置及び、角度を補正することができれば、クラウン形状に限らず、種々の凹凸形状であってもよい。即ち、接触箇所は1箇所に限定されず、複数箇所であっても良い。
(変形例2)
第1の実施形態(実施例1)、第2の実施形態(実施例2)では、加熱源としてハロゲンヒータを用いたが、ハロゲンヒータの方式で限定せず、セラミックヒータ、電磁誘導コイル等、他の内部加熱方式或いは、外部加熱方式であってもよい。
(変形例3)
上述した実施形態では、未定着トナー像をシートに定着する定着装置を例に説明したが、本発明は、これに限らず、画像の光沢を向上させるべく、シートに仮定着されたトナー像を加熱加圧する装置(この場合も定着装置と呼ぶ)にも同様に適用可能である。
(変形例4)
上述した実施形態では、定着ローラと共にニップ部を形成する対向体として加圧ローラを示したが、本発明はこれに限られず、対向体として固定された平板状の加圧パッドに適用可能である。
1・・定着ローラ、8・・加圧ローラ、19・・摺動部材、19a・・座面、21・・摺動部材ホルダ、21a・・対向面

Claims (5)

  1. 筒状の回転体と、
    記回転体の内周面に接触する摺動部材と、
    前記回転体の外周面に接触し、前記回転体を介して前記被摺動部材と共にニップ部を形成する加圧ローラと、
    前記回転体の内周側の空間に設けられており、前記摺動部材の前記回転体と接触する面とは反対側の面と接触して前記摺動部材を保持する保持部材と、
    を有し、未定着トナー像が形成された記録材を前記ニップ部で挟持搬送しつつ加熱して記録材に未定着トナー像を定着させる定着装置であって、
    前記回転体の母線方向に見たとき、前記被摺動部材の前記反対側の面および前記反対側の面と接触する前記保持部材の面の少なくとも一方は、互いに近づく方向にの曲面形状であり、この曲面形状により前記被摺動部材が前記保持部材に対して前記母線方向と略平行な軸を中心に揺動可能になっていることを特徴とする定着装置。
  2. 前記回転体の母線方向に見たとき前記被摺動部材の前記反対側の面前記の曲面形状であり、前記反対側の面と接触する前記保持部材の面は平面形状であることを特徴とする請求項1に記載の定着装置。
  3. 記録材の搬送方向における前記摺動部材の下流側の第1の面と、前記被摺動部材の前記第1の面と対向する前記保持部材の第2の面の少なくとも一方は、互いに近づく方向にの曲面形状であり、この曲面形状により前記被摺動部材が前記保持部材に対して前記ニップ部の面に対して略垂直な軸を中心に揺動可能になっていることを特徴とする請求項1または2に記載の定着装置。
  4. 前記被摺動部材の前記回転体と接触する面は、前記回転体の内周面に向かって凸の曲面形状であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の定着装置。
  5. 前記回転体は、基層と、前記基層の外面の弾性層と、前記弾性層の外面の離型層と、を有し、前記基層の厚みは500μm以下であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の定着装置。
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