(57)【要約】【課題】  弾性層の内面付近における応力を緩和することにより弾性層の疲労蓄積を防止した定着装置およびそれを用いた画像形成装置を提供すること。【解決手段】  加圧ローラ１０の芯金１１に，円柱外周形状であるノーマル部１３と，ノーマル部１３より凹んでいる凹み部１４とを形成する。また，加圧ローラ１０の弾性層１２が芯金１１を隙間なく覆うように，弾性層１２に，凹み部１４の箇所に均一部１５より厚い厚み部１６を形成する。そして，加圧ローラ１０の停止時に，弾性層１２の前半部分１９にて，加熱ローラ２０の弾性層２２と接するように加圧ローラ１０の回転位置を制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローラ対を有し，未定着のトナー像を担持するシートを前記ローラ対の間に通すことでトナー像を媒体上に定着する定着装置において，
前記ローラ対の少なくとも一方のローラが，硬質芯部材とその周囲の弾性層とを有し，  前記硬質芯部材は，
その周方向の一部を除いた部分が，円柱面状外面のノーマル部であるとともに，
前記ノーマル部以外の部分が，前記ノーマル部の円柱面より凹んだ外面の凹み部であるものであり，
前記弾性層は，
前記硬質芯部材における前記ノーマル部上に位置する均一部と，
前記硬質芯部材における前記凹み部上に位置し，前記均一部より厚い厚み部とを有するものであることを特徴とする定着装置。
【請求項２】
請求項１に記載の定着装置において，
前記ローラ対の停止時に，前記一方のローラを，前記凹み部および前記厚み部の範囲内の位置が他方のローラに対面する角度位置として停止させる停止位置指定部を有することを特徴とする定着装置。
【請求項３】
請求項２に記載の定着装置において，
前記停止位置指定部は，停止時に，
前記凹み部および前記厚み部の範囲のうち，回転による進行方向における前半分の範囲内の位置を他方のローラに対面させるものであることを特徴とする定着装置。
【請求項４】
ローラ対を有し，未定着のトナー像を担持するシートを前記ローラ対の間に通すことでトナー像を媒体上に定着する定着装置と，シート上に未定着のトナー像を形成して前記定着装置へ出力する画像形成部とを有する画像形成装置において，
前記ローラ対の少なくとも一方のローラが，硬質芯部材とその周囲の弾性層とを有し，  前記硬質芯部材は，
その周方向の一部を除いた部分が，円柱面状外面のノーマル部であるとともに，
前記ノーマル部以外の部分が，前記ノーマル部の円柱面より凹んだ外面の凹み部であるものであり，
前記弾性層は，
前記硬質芯部材における前記ノーマル部上に位置する均一部と，
前記硬質芯部材における前記凹み部上に位置し，前記均一部より厚い厚み部とを有するものであることを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，一対のローラを有し，それらのニップ部にトナー像を担持するシートを通過させることにより，トナー像をシート上に定着する定着装置，および，その定着装置を有する画像形成装置に関する。さらに詳細には，ニップ部におけるローラの弾性層の圧縮変形負荷の緩和を図った定着装置および画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から，電子写真方式の画像形成装置では，シート上に担持されているトナー像を定着装置によって定着することにより，シートに画像が形成される。この定着装置として，定着ローラと加圧ローラとの２つのローラの間に形成されるニップにシートを通し，通過中のシートを加熱するとともに加圧するものが知られている（例えば特許文献１）。
【０００３】
この種の定着装置における２つのローラには，加圧のための荷重が掛けられている。このためローラの弾性層は，回転とともにニップ部にて変形し，ニップ部を脱出すると変形した状態から回復する。このようにローラの弾性層は，加熱された状態で変形を反復するのである。このため，ローラの弾性層のゴム材は，熱負荷と応力負荷の反復とに常時さらされているのである。これにより，ゴムの弾性が低下して永久歪みを生じたり，疲労の蓄積により脆化して破損に至ることがある。これが，定着装置の耐久性の問題である。
【０００４】
この問題に対する従来の対策としては，ゴムの種類の選択や添加剤による耐久寿命の長期化が行われている。また，特許文献１では，温度均一化ローラなるものを定着ローラに押し当てて，定着ローラの軸方向での温度分布の均一化を図っている。これにより，小サイズ紙使用時の通紙範囲外における過昇温を防止して，熱負荷の抑制を図っている。
【特許文献１】特開２００２−１７４９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら，前記した従来の技術でもまだ問題があった。弾性層の内面付近における破損がなかなか防止できないのである。その原因は，弾性層に掛かる応力負荷の厚さ方向の分布が均一でないことにある。弾性体同士の接触となる外面付近よりも，剛性のある芯金と接触する内面付近の方に強い応力が掛かるのである。このために，弾性層の内面付近に疲労がより強く蓄積し，破損に至るのである。ローラの回転の起動時には特に，強い応力が掛かる。
【０００６】
本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，弾性層の内面付近における応力を緩和することにより弾性層の疲労蓄積を防止した定着装置およびそれを用いた画像形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題の解決を目的としてなされた本発明の定着装置は，ローラ対を有し，未定着のトナー像を担持するシートをローラ対の間に通すことでトナー像を媒体上に定着する装置であって，ローラ対の少なくとも一方のローラが，硬質芯部材とその周囲の弾性層とを有し，硬質芯部材は，その周方向の一部を除いた部分が，円柱面状外面のノーマル部であるとともに，ノーマル部以外の部分が，ノーマル部の円柱面より凹んだ外面の凹み部であるものであり，弾性層は，硬質芯部材におけるノーマル部上に位置する均一部と，硬質芯部材における凹み部上に位置し，均一部より厚い厚み部とを有するものである。
【０００８】
本発明の定着装置では，ローラの弾性層に，均一な厚さの均一部と，均一部より厚い厚み部とが設けられている。そして弾性層の下の硬質芯部材においては，均一部の下がノーマル部とされており，厚み部の下は凹み部とされている。このため，当該ローラにおける厚み部および凹み部の箇所がもう一方のローラと対面している状態で回転の起動を行うことができる。こうすると，起動時に弾性層に掛かる応力が，厚み部の厚さ全体に分散されることになる。したがって，弾性層のうち，硬質芯部材に接する内面付近においても応力負荷はさほど大きくない。これにより，弾性層の疲労蓄積による劣化を抑制できる。
【０００９】
本発明ではさらに，ローラ対の停止時に，前記一方のローラを，凹み部および厚み部の範囲内の位置が他方のローラに対面する角度位置として停止させる停止位置指定部を有することが望ましい。これにより，次回の回転起動時には必ず，厚み部および凹み部の箇所がもう一方のローラと対面している状態から起動がなされることになる。
【００１０】
本発明ではさらに，停止位置指定部は，停止時に，凹み部および厚み部の範囲のうち，回転による進行方向における前半分の範囲内の位置を他方のローラに対面させるものであることが望ましい。ローラの回転による弾性層への応力は，ローラ間のニップ箇所そのものよりも，その回転方向に上流側に隣接する箇所に大きく掛かることが分かっている。このため，上記のようにすることで，厚み部の厚さによる弾性層の応力緩和の効果をより有効に享受できる。
【００１１】
本発明は，本発明の定着装置と，シート上に未定着のトナー像を形成して定着装置へ出力する画像形成部とを有する画像形成装置にも及ぶ。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば，弾性層の内面付近における応力を緩和することにより弾性層の疲労蓄積を防止した定着装置およびそれを用いた画像形成装置が提供されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，電子写真方式の画像形成装置およびそれらに用いられる定着装置である。
【００１４】
本形態の画像形成装置１００は，図１に概略構成を示すように，中間転写ベルト１０１を有する，いわゆるタンデム方式のカラープリンタである。中間転写ベルト１０１は，無端状ベルト部材であり，その図中両端部がローラ１０２，１０３によって支持され，図中矢印Ａの向きに回転するようになっている。中間転写ベルト１０１の図中下部に沿って，イエロー（Ｙ），マゼンタ（Ｍ），シアン（Ｃ），ブラック（Ｋ）の各色の画像形成部１０４Ｙ，１０４Ｍ，１０４Ｃ，１０４Ｋが配置されている。
【００１５】
各色の画像形成部１０４Ｙ，１０４Ｍ，１０４Ｃ，１０４Ｋはいずれも同様の構成である。それぞれ，感光体ドラム１０６とその周囲に配置された帯電装置１０７，露光装置１０８，現像装置１０９，クリーナ装置１１０を有している。また，中間転写ベルト１０１を挟んで感光体ドラム１０６に対向する位置に，１次転写装置１１１が配置されている。図１中では画像形成部１０４Ｙによって代表して示している。
【００１６】
図１中で下方に示すのは，用紙Ｐを収容する給紙装置１１２である。給紙装置１１２の上部には，用紙Ｐを送り出す給紙ローラ１１３が設けられている。用紙Ｐは，給紙装置１１２から搬送経路１１４に沿って上方へ送られる。搬送経路１１４を挟んで，ローラ１０３と対面する位置に，２次転写装置１１５が配置されている。さらにその下流側（図中上方）には，定着装置１が配置されている。定着装置１は，加熱ローラ２０，加圧ローラ１０のローラ対を有している。定着装置１については，後に詳述する。定着装置１より搬送経路１１４のさらに下流側には，排紙ローラ１１６および排紙トレイ１１７が配置されている。また，画像形成装置１００は，その動作の全体を統括する制御部３０を有している。
【００１７】
次に，本形態の画像形成装置１００の基本的な動作を簡単に説明する。この画像形成装置１００は，画像形成の指示を受けると，その画像信号から各色の画像データを生成する。生成された各色の画像データは，対応する画像形成部１０４Ｙ，１０４Ｍ，１０４Ｃ，１０４Ｋにそれぞれ送出される。各色の画像形成部１０４Ｙ，１０４Ｍ，１０４Ｃ，１０４Ｋは，画像データに基づいて，それぞれの感光体ドラム１０６を帯電・露光して静電潜像を形成する。さらに，形成された静電潜像を現像してトナー像を形成する。
【００１８】
形成されたトナー像は，順次，１次転写装置１１１によって中間転写ベルト１０１に転写され，重ね合わせられる。中間転写ベルト１０１に重ね合わせられたトナー像は，２次転写装置１１５によって用紙Ｐに転写される。トナー像を担持した用紙Ｐは，さらに搬送されて定着装置１に至り，定着装置１によって加熱されるとともに加圧される。これによりトナー像が用紙Ｐに定着される。トナー像が定着された用紙Ｐは，排紙ローラ１１６によって排紙トレイ１１７に排出される。以上が，画像形成装置１００の基本的な動作である。
【００１９】
本形態の定着装置１について図２により説明する。加熱ローラ２０は，外周部に弾性層２２を，その内部に芯金２１と，ヒータ２３とを有している。加圧ローラ１０は，外周部に弾性層１２を，その内部に芯金１１を有する中実ローラである。芯金１１は，その外周面にノーマル部１３と，凹み部１４とを有する硬質芯部材である。ノーマル部１３は，円柱表面の形状となっている箇所である。また，凹み部１４は，円柱表面よりも凹んだ形状をしている。例としてここでは，凹み部１４は平らになっている。そして，弾性層１２は，厚みの均一な均一部１５と，芯金１１の凹み部１４の箇所の凹みに対応して厚くなっている厚み部１６とを有している。均一部１５はノーマル部１３と密着し，厚み部１６は凹み部１４と密着している。このため，弾性層１２は，芯金１１を隙間なく覆っている。また，以上から明らかなように，加圧ローラ１０の芯金１１及び弾性層１２は非軸対称である。
【００２０】
ここで，本形態の定着装置１におけるローラ対の，回転停止時，回転起動時，回転時について説明する。まず，加熱ローラ２０及び加圧ローラ１０の回転停止時について図２により説明する。停止時において，加圧ローラ１０は，図２に示す回転位置で静止している。図２中に示した矢印は，加圧ローラ１０及び加熱ローラ２０が回転しているときの回転の向きを示すものである。停止時において，加圧ローラ１０の厚み部１６は，加熱ローラ２０の弾性層２２と接触している。また，厚み部１６の最も厚い箇所１７は，加熱ローラ２０との接触箇所の中心点１８より，やや加圧ローラ１０の回転上流側にある。すなわち，厚み部１６の前半部分１９にて，加熱ローラ２０と加圧ローラ１０とが接触しているのである。そして，回転停止時においては，常に図２に示した停止位置で加圧ローラ１０は停止している。後述するように，回転起動時の弾性層１２の変形を小さくするためである。なお，加熱ローラ２０は軸対称であるため，停止位置を予め決めておく必要はない。
【００２１】
図３は，弾性層１２の変形量を説明する図である。回転停止時と，回転起動時における変形量の比較を，図中の破線および実線の四辺形により説明する。図３中の四辺形４１，４３は，接触箇所の中心点１８より回転方向（矢印Ｂ）の上流側の位置における，回転停止時と回転起動時とでの変形の程度の違いを示すために仮想的に描いたものである。すなわち，回転停止時に破線の四辺形４１で示される領域が，回転起動時には実線の四辺形４３で示される形状にまでさらに変形するのである。同様に，接触箇所の中心点１８より回転方向（矢印Ｂ）の下流側の位置における，回転停止時と回転起動時とでの変形の程度の違いを，それぞれ四辺形４２（破線）と四辺形４４（実線）とにより表す。
【００２２】
回転停止時において，加圧ローラ１０の弾性層１２のうち厚み部１６の箇所は，加熱ローラ２０に押圧されて変形している。よって，破線の四辺形４１，４２で示される領域もそれに伴い変形している。このときの応力は，接触箇所の中心点１８から回転上流側に向かう方向と，中心点１８から回転下流側に向かう方向の２方向にかかっている。このため，四辺形４１は，中心点１８から図中下向きに向かう応力を受けて変形している。また，四辺形４２は，中心点１８から図中上向きに向かう応力を受けて変形している。このときの歪みの大きさは，従来のものより小さい。なぜならば，接触箇所における弾性層１２は従来のものよりも厚み方向に厚いため，応力が分散するためである。
【００２３】
次に，回転起動時について説明する。回転起動時においては，回転停止時とは異なる歪みが加熱ローラ２０及び加圧ローラ１０の接触箇所に生じる。これにより，加圧ローラ１０の弾性層１２の各箇所はさらに変形する。図中の矢印Ｂは，前述したように加圧ローラ１０の回転方向である。弾性層１２は，矢印Ｂの向きの回転をしようとする際に，回転方向と逆向きの力を受ける。つまり， 四辺形４３の箇所においては，回転停止時に受ける応力に加えて，矢印Ｃの向きに応力を受ける。このため，四辺形４３は，矢印Ｃの方向，すなわち四辺形４１より回転上流側に向けて変形する。一方，四辺形４４の箇所においては，回転停止時に受ける応力に加えて，矢印Ｄの向きに応力を受けるのである。このため，四辺形４４は，矢印Ｄの方向，すなわち四辺形４２より回転上流側に向けて変形する。このときの歪みの大きさは，前述した理由により従来のものより小さい。
【００２４】
次に，回転時について説明する。回転時においては，従来のものと同様に，加熱ローラ２０の弾性層２２と，加圧ローラ１０の弾性層１２とがともに変形してニップ部を形成する。このため，凹み部１４及び厚み部１６の形状により，定着されたトナー像に影響を与えることはない。
【００２５】
ここで，停止時における停止位置の指定の仕組みについて説明する。定着装置１の停止時においては，加圧ローラ１０は前述したように図２の停止位置で停止する。制御部３０は，この加圧ローラ１０の回転位置を制御し，図２の停止位置で加圧ローラ１０の回転を停止させる。この停止位置の制御のため，加圧ローラ１０の駆動にステッピングモータを用いることができる。あるいは，モータとして，エンコーダまたはレゾルバ等の回転位置検出器を有するものを用いてもよい。そして，位相角を検出し，それを駆動系にフィードバックさせればよい。
【００２６】
その他，純機械的に停止させてもよい。例えば，加圧ローラ１０の芯金１１として弾性層１２よりも軸方向に長いものを用い，加圧ローラ１０を停止させるときに，平板状の部材を芯金１１に押し当てるのである。そして，加圧ローラ１０の回転時には，平板状の部材を退避させればよい。また，同様の仕組みを，加圧ローラ１０に限らずその駆動系のどこかに設けてもよい。
【００２７】
ここで，本発明の定着装置と従来の定着装置とで，加圧ローラの歪みの大きさを比較したシミュレーションの結果について説明する。比較項目は，加圧ローラの弾性層の最大主歪と，回転した後再び停止するまでの歪み量である。まず，シミュレーションで用いた加圧ローラの形状について説明する。図４は，シミュレーションで用いた加圧ローラの形状を示す模式図である。加圧ローラの外径は３０ｍｍであり，ゴム材の厚さは４ｍｍであった。停止時における芯金の，底部から凹み部の上流側端部の高さは，１８．１ｍｍであり，底部から凹み部の下流側端部の高さは，２１ｍｍであった。なお，従来の加圧ローラとして，外径３０ｍｍ，ゴム材の厚さ４ｍｍのものを用いた。
【００２８】
図５は，回転した後再び停止するまでの加圧ローラの歪み量を示すグラフである。横軸は，時間である。縦軸は，加圧ローラの歪み量である。図中の破線は，従来の加圧ローラの歪み量を示すものである。図中の実線は，本形態の加圧ローラの歪み量を示すものである。加圧ローラの歪み量は，起動時にトルクが加わるときに最大となる。よって，その歪みが最大となるときに，応力を他へ逃がすようにすればよい。本形態の加圧ローラの歪み量は，起動時において従来の加圧ローラの歪み量より小さくなっている。
【００２９】
図６及び図７は，従来の加圧ローラと本形態の加圧ローラについて，シミュレーションにより歪み量を計算した結果を比較したものである。図６は，従来の加圧ローラの歪み量を示すものである。図７は，本形態の加圧ローラの歪み量を示すものである。図中ハッチングのない領域が，最も歪みの小さい領域である。ドットによりハッチングを施した領域が，ハッチングのない領域よりやや歪みのある領域である。スラッシュによりハッチングを施した領域が，最も歪みの大きい領域である。よって，最大主歪の箇所は，この領域に存在する。なお，最大主歪は，図５に示したように回転起動時に最も大きくなる。そこで，図６及び図７では，図５における回転起動時の最も歪み量が大きい時点での最大主歪を示している。シミュレーションの結果，従来の加圧ローラにおいては，最大主歪は０．５７（無次元量）であった。また，本形態の加圧ローラの最大主歪は０．３９（同）であった。すなわち，最大主歪の値が３０％程度減少しているという結果が得られた。
【００３０】
ここで，本形態の定着装置１の変形例について説明する。本形態の加圧ローラ１０の芯金１１は，凹み部１４を１箇所だけ有するものである。しかし，凹み部１４を軸対称に２箇所設けるようにしてもよい。その場合には，弾性層１２の厚み部１６も２箇所設ける。この場合の停止位置は，２箇所の厚み部１６が加熱ローラ２０と停止毎に交互に接触するようにするとよい。これにより，駆動の度に加わる負荷が，２箇所に分散されることになるからである。また，凹み部１４を軸対称に設けることにより，回転運動が安定するからである。よって，加圧ローラ１０の弾性層１２の耐久寿命がより長くなる。さらに，もっと多数の凹み部１４及び厚み部１６を設けるようにしてもよい。また，凹み部１４を加圧ローラ１０ではなく，加熱ローラ２０の弾性層２２に設けるようにしてもよい。そして，凹み部１４を加圧ローラ１０と加熱ローラ２０の双方に設けるようにしてもよい。本形態においては，凹み部１４は，平らな形状にしたが，ノーマル部１３に比べて凹んだ形状であれば，平面形状に限らない。例えば，凹面にしてもよい。また，ローラ半径よりも曲率半径の大きな凸面にしてもよい。
【００３１】
以上詳細に説明したように，本発明に係る定着装置１は，加圧ローラ１０の芯金１１に凹み部１４を設け，その周囲の弾性層１２に厚み部１６を設けたものである。そして，加圧ローラ１０の停止時に，厚み部１６における最も厚い箇所１７を加圧ローラ１０のやや上流側に位置するように制御するものである。これにより，加圧ローラ１０の歪みを最小限に抑え，加圧ローラ１０の弾性層１２の耐久寿命を延ばすことのできる定着装置および画像形成装置が実現されている。
【００３２】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，画像形成装置の画像形成部分はカラーでもモノクロでもよいし，使用するトナーは一成分でも二成分でもかまわない。また，加圧ローラ１０の芯金１１は中実であるとしたが，中空であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る画像形成装置を説明するための概略図である。
【図２】本発明に係る定着装置を説明するための断面図である。
【図３】本発明の加圧ローラの弾性層に発生する歪みを説明するための図である。
【図４】シミュレーションに用いた加圧ローラの形状を説明するための図である。
【図５】停止時および回転時における加圧ローラの歪みを説明するためのグラフである。
【図６】従来の加圧ローラにおける歪みの分布を示す図である。
【図７】本発明の加圧ローラにおける歪みの分布を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…定着装置
１０…加圧ローラ
１１…芯金
１２…弾性層
１３…ノーマル部
１４…凹み部
１５…均一部
１６…厚み部
１７…厚い箇所
１８…中心点
１９…前半部分
２０…加熱ローラ
２１…芯金
２２…弾性層
２３…ヒータ
１００…画像形成装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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