(57)【要約】【課題】  良好な定着性を得ることが可能で、かつ、コストダウンを図れるローラ及び画像加熱装置を提供する。【解決手段】  シート上に形成された画像をニップ部にて加熱する中空状のローラにおいて、Ｅをヤング率（Ｐａ）、νをポアソン比、ｔをローラの肉厚（ｍｍ）、Ｌをローラの長手方向長さ（ｍｍ）、ｒをローラの平均半径（ｍｍ）とし、かつ、ローラのねじり座屈応力σ（Ｐａ）を、σ＝（ｋ・π２・Ｅ・（ｔ／Ｌ）２）／（１２・α２））、ｋ＝（２．６・Ｚ・（ｔ／ｒ）０．５）／（π２・α０．２５）、Ｚ＝（Ｌ２・α０．５）／（ｒ・ｔ）、α＝１−νとした場合、０＜Ｌ≦４５０、０＜ｒ≦５０、０＜ｔ≦１．０、０＜Ｅ≦２２×１０１０なる条件下において、２.２×１０８≦σ＜２.２×１０９を満たすことを特徴とする。【選択図】  図１
2006023429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート上に形成された画像をニップ部にて加熱する中空状のローラにおいて、
Ｅをヤング率（Ｐａ）、νをポアソン比、ｔをローラの肉厚（ｍｍ）、Ｌをローラの長手方向長さ（ｍｍ）、ｒをローラの平均半径（ｍｍ）とし、かつ、ローラのねじり座屈応力σ（Ｐａ）を、
σ＝（ｋ・π２・Ｅ・（ｔ／Ｌ）２）／（１２・α２））、
ｋ＝（２．６・Ｚ・（ｔ／ｒ）０．５）／（π２・α０．２５）、
Ｚ＝（Ｌ２・α０．５）／（ｒ・ｔ）、
α＝１−ν
とした場合、
０＜Ｌ≦４５０、０＜ｒ≦５０、０＜ｔ≦１．０、０＜Ｅ≦２２×１０１０なる条件下において、
２.２×１０８≦σ＜２.２×１０９
を満たすことを特徴とするローラ。
【請求項２】
シート上に形成された画像をニップ部にて加熱する中空状のローラと、前記ローラに圧接して前記ニップ部を形成する圧接部材と、を有する画像加熱装置において、
Ｅをヤング率（Ｐａ）、νをポアソン比、ｔをローラの肉厚（ｍｍ）、Ｌをローラの長手方向長さ（ｍｍ）、ｒをローラの平均半径（ｍｍ）とし、かつ、ローラのねじり座屈応力σ（Ｐａ）を、
σ＝（ｋ・π２・Ｅ・（ｔ／Ｌ）２）／（１２・α２））、
ｋ＝（２．６・Ｚ・（ｔ／ｒ）０．５）／（π２・α０．２５）、
Ｚ＝（Ｌ２・α０．５）／（ｒ・ｔ）、
α＝１−ν
とした場合、
０＜Ｌ≦４５０、０＜ｒ≦５０、０＜ｔ≦１．０、０＜Ｅ≦２２×１０１０なる条件下において、
２.２×１０８≦σ＜２.２×１０９
を満たすことを特徴とする画像加熱装置。
【請求項３】
前記ローラは前記圧接部材により略楕円状に変形するよう構成されており、その際の前記ローラの長径をＤ１、短径をＤ２とすると、
Ｄ１／Ｄ２≧１．０５
を満たすことを特徴とする請求項２に記載の画像加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、記録材上の画像を加熱するローラ、並びにこのローラを用いた画像加熱装置、及び、コピー機、プリンタ、ファクシミリ送信装置等の定着装置を配設する画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、画像形成装置の定着装置においては、加熱、加圧のために定着ローラと加圧ローラからなるローラ対でシート上の未定着トナーの定着を行う方式を採用していた。この従来の定着装置に用いられる定着ローラは肉厚の厚い中空形状が用いられており、定着ローラ内部に配置される熱源からの熱を蓄熱するような構成となっていた。
【０００３】
しかし、肉厚の厚い定着ローラでは未定着トナーを定着可能となるような所定温度まで昇温するのに長時間がかかっていた。
【０００４】
この所定温度に達するまでの時間を削減するために、熱量を多くしようと熱源に投入される電力を増大した例もあるが、ユーザが負担する電気代などがアップしてしまい、その技術は採用できなかった。
【０００５】
また、肉厚の厚い定着ローラでは、重いローラ重量を支持するために、部品のコストアップや、定着ローラを保持するための保持部材の強度が必要になる等のコストアップが生じており、改善が求められていた。
【０００６】
この他、特許文献１のように定着ローラ自体を薄いフィルム状のものを用いオンデマンド定着なるものが考案され、所定温度に達するまでの時間を削減したものもある。
【０００７】
また、薄肉化を達成しつつ強度向上に貢献した技術として特許文献２や特許文献３のように定着ローラの内側に複数のリブを形成したものもある。
【特許文献１】特開２００１−３０５８９３号公報
【特許文献２】特開２００１−１６６６２３号公報
【特許文献３】特開平１１−１４９２２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１においては、フィルム状部材が薄すぎるため、フィルム状部材に寄りが生じ易く、定着不良が生じるおそれがあった。
【０００９】
また、加圧ローラからの加圧力を受け止める部材が必要であり、従来では樹脂部品により該加圧力を受けていたが、高速機においては樹脂部品では強度不足であり、加圧力を受け止めることが困難となって、定着不良を生じさせてしまうため、高速機には不向きであった。
【００１０】
また、特許文献１のフィルムの回転は圧接する加圧ローラ側からの駆動を受けて従動回転するものであるため、フィルムの回転を所定回転速度に合わせることは困難であり、回転速度が安定せず、定着不良を招くおそれがあった。
【００１１】
一方、特許文献２や特許文献３のように定着ローラの内側にリブを形成したものは、その形状ゆえに加工コストが膨大なものとなり、今日の低価格化にそぐわないものとなって
いた。
【００１２】
本発明は上記従来課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、良好な定着性を得ることが可能で、かつ、コストダウンを図れるローラ及び画像加熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために本発明にあっては、以下の構成を有する。
【００１４】
第１の本発明は、シート上に形成された画像をニップ部にて加熱する中空状のローラにおいて、
Ｅをヤング率（Ｐａ）、νをポアソン比、ｔをローラの肉厚（ｍｍ）、Ｌをローラの長手方向長さ（ｍｍ）、ｒをローラの平均半径（ｍｍ）とし、かつ、ローラのねじり座屈応力σ（Ｐａ）を、
σ＝（ｋ・π２・Ｅ・（ｔ／Ｌ）２）／（１２・α２））、
ｋ＝（２．６・Ｚ・（ｔ／ｒ）０．５）／（π２・α０．２５）、
Ｚ＝（Ｌ２・α０．５）／（ｒ・ｔ）、
α＝１−ν
とした場合、
０＜Ｌ≦４５０、０＜ｒ≦５０、０＜ｔ≦１．０、０＜Ｅ≦２２×１０１０なる条件下において、
２.２×１０８≦σ＜２.２×１０９
を満たすことを特徴とする。
【００１５】
第２の本発明は、シート上に形成された画像をニップ部にて加熱する中空状のローラと、前記ローラに圧接して前記ニップ部を形成する圧接部材と、を有する画像加熱装置において、
Ｅをヤング率（Ｐａ）、νをポアソン比、ｔをローラの肉厚（ｍｍ）、Ｌをローラの長手方向長さ（ｍｍ）、ｒをローラの平均半径（ｍｍ）とし、かつ、ローラのねじり座屈応力σ（Ｐａ）を、
σ＝（ｋ・π２・Ｅ・（ｔ／Ｌ）２）／（１２・α２））、
ｋ＝（２．６・Ｚ・（ｔ／ｒ）０．５）／（π２・α０．２５）、
Ｚ＝（Ｌ２・α０．５）／（ｒ・ｔ）、
α＝１−ν
とした場合、
０＜Ｌ≦４５０、０＜ｒ≦５０、０＜ｔ≦１．０、０＜Ｅ≦２２×１０１０なる条件下において、
２.２×１０８≦σ＜２.２×１０９
を満たすことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ニップ部にてローラに加圧力をかけた際、ローラが大きく潰れることによりニップ部の幅が増大するので、簡単な構成で良好な定着性を得ることが可能となる。また、強度付与のための他の部材を必要とせず、部品点数を削減し、コストダウンが図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に図面を参照して、この発明の最良な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のもので
はない。
【００１８】
（第１の実施形態）
（画像形成装置）
まず、図１を参照して本実施形態に係る画像形成装置について説明する。図１は本実施形態に係る画像形成装置の模式的断面図である。
【００１９】
図１において、１００は原稿１０１を載せる原稿台ガラスであり、１０２は原稿１０１の画像情報を読み取るリーダーユニットである。
【００２０】
また、１０３は、像担持体としての感光ドラム１０４表面上の所定位置に、原稿１０１の画像情報、あるいはその他の画像情報を有する光を照射する光学ユニットである。この光学ユニット１０３は、リーダーユニット１０２によって得られた画像情報、あるいはその他の画像情報を、不図示の画像処理装置を介して処理、制御された電気信号により明滅するレーザー光源を備えており、また、このレーザー光源から感光ドラム１０４までレーザー光を導く光路上には、複数の光学部品、すなわち、レーザー光を反射するための複数のミラーや、光学的に拡大や補正を行うための複数の光学部材（各種レンズ等）などが備えられている。
【００２１】
また、感光ドラム１０４の周辺には、感光ドラム１０４上の静電潜像を可視化するためにトナーを感光ドラム１０４に供給するための現像器１０５や、トナー像をシートＰに転写してシートＰが感光ドラム１０４に静電吸着しているのを剥がすための分離部を有する転写・分離帯装置１０６、感光ドラム１０４上におけるシートＰに転写されずに残ったトナーを除去するためのクリーニング装置１０７、感光ドラム１０４上の残留潜像を消すための前露光装置１０８が配置されている。これら感光ドラム１０４と感光ドラム１０４の周辺装置とがシート上にトナー像を形成する画像形成部を構成する。
【００２２】
また、感光ドラム１０４から、トナー像を転写したシートＰを定着装置１１０に搬送するための搬送装置１０９が配置されている。
【００２３】
また、定着装置１１０から出てきたシートＰを、機外の排紙トレー１１２に排紙ローラ１１３で排紙するか、両面・多重のコピーを取るときに感光ドラム１０４に再度、シートＰを再給紙する再給紙装置１１４に搬送するかを制御するための、排紙反転装置１１１も設けられている。
【００２４】
更に、シートＰを複数積載してストックしておくための給紙カセット１１５も設けられている。
【００２５】
次に、上記構成における画像形成装置の動作について順をおって説明する。まず、不示図のコピースタートボタンをユーザが押すと、給紙カセット１１５から給紙装置１１６より、給紙カセット１１５に積載されているシートＰが一枚ずつ縦パス搬送部１１７に搬送され、レジストローラ１１８まで送られる。
【００２６】
次に、リーダーユニット１０２によって、原稿１０１の画像情報を電気信号に変換すべくスキャンを開始し、不図示の画像処理装置を介して光学ユニット１０３により感光ドラム１０４の表面に原稿画像の情報を有する光が照射され、その画像が記録される。なお、外部装置から入力された画像情報に基づいてこの動作を行うことも可能である。
【００２７】
また、この動作と同期するように、レジストローラ１１８がシートＰの搬送を開始する。
【００２８】
この時、感光ドラム１０４上に記録された原稿１０１の画像情報である静電潜像は、現像器１０５によりトナー像とされ、このトナー像を転写・分離装置１０６によりシートＰに転写して、シートＰは搬送装置１０９によって搬送され、定着装置１１０によりトナー像をシートＰに定着したあと、シートＰは片面のコピーなら排紙反転装置１１１により排紙ローラ１１３へと搬送され、排紙トレー１１２へと機外に排出される。また、両面または多重コピーの場合には、定着装置１１０によってトナー像が定着されたシートＰは、排紙反転装置１１１により再給紙装置１１４により、再度、感光ドラム１０４に搬送され、再びトナー像が転写され、順次、搬送装置１０９，定着装置１１０，排紙反転装置１１１，排紙ローラ１１３を経て、排紙トレー１１２上に機外排出される。
【００２９】
（定着装置）
図２〜図５を用いて本実施形態における定着装置１１０の構成を説明する。図２は本実施形態に係る定着装置の長手方向断面図である。図３は本実施形態に係る定着ローラの長手方向端部の外観図である。図４は定着ローラの断面モデル図である。図５は本実施形態に係る定着装置の駆動伝達部の断面図である。
【００３０】
定着装置１１０は、搬送されてきたシート上の未定着トナー像を熱と圧で定着させる定着ローラ対（ローラ対）として、定着ローラ１と加圧ローラ５とを備える。
【００３１】
定着ローラ１は、中空の芯金で構成され、加熱用部材としてのヒータ（不図示）等を内包する。定着ローラ１は熱容量の小さな芯金であり、クイックスタートを可能にするために厚１ｍｍ以下の肉厚で耐熱性、高熱伝導性を有する部材を基層としたスリーブである。また、長寿命の定着装置１１０を構成するために充分な強度を持ち、耐久性に優れたスリーブとして、厚さ０．２ｍｍ以上の肉厚が必要である。よって定着ローラ１の芯金の肉厚としては０．２ｍｍ以上１ｍｍ以下が良く、最適なのは０．５〜０．８ｍｍである。本実施形態では０．５ｍｍとしている。
【００３２】
また、定着ローラについて、Ｅ：ヤング率（１６．５・１０１０Ｐａ）、ν：ポアソン比（０．８）、ｔ＝定着ローラ肉厚（＝０．５ｍｍ）、Ｌ＝定着ローラ長手方向長さ（＝４００ｍｍ）、ｒ＝定着ローラ平均半径＝定着ローラ内外径の平均半径（＝１８．９ｍｍ）なる材料を選択した。この選択材料の定着ローラの円筒ねじり座屈応力（Ｐａ）は、σ＝（ｋ・π２・Ｅ・（ｔ／Ｌ）２）／（１２・α２））≒０．０２９７・１０１０Ｐａになる。このようにヤング率が低いにもかかわらず、応力が高めの材料を用いる。
【００３３】
加圧ローラ５は、耐熱性弾性加圧ローラである。加圧ローラ５は、中心軸の外側に、シリコンゴムやフッ素ゴム等の耐熱ゴムあるいはシリコンゴムを発泡して形成された弾性層を有し、この上にはＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ等の離型性層を形成してあってもよい。
【００３４】
ここで、図２に示すように、定着ローラ１は長手方向端部において、回転可能にベアリング２によって支持されている。ベアリング２は側板４によって保持されている。また、ベアリング２と定着ローラ１との間には、定着ローラ１からベアリング２への熱伝達を防止するために樹脂製の断熱ブッシュ３が配置されている。
【００３５】
加圧ローラ５も長手方向端部において、回転可能にベアリング６によって支持されている。ベアリング６は側板７によって保持されている。
【００３６】
そして、加圧ローラ５のベアリング６に支持された位置よりも長手方向端には駆動伝達手段としてギア８が配置されている。ギア８は加圧ローラ５の中心軸に回転可能に保持さ
れている。このギア８は加圧ローラ５そのものには駆動を伝達していない。
【００３７】
また、図２、図３に示すように、定着ローラ１の長手方向端部のギア８が外接する位置には、切り欠き部１ａが設けられている。すなわち、長手方向で見た場合において、ギア８の対応する位置に切り欠き部１ａが配置されている。このため、ギア８の山が切り欠き部１ａに入り込み、動力を伝達するようにギア８と切り欠き部１ａは噛み合う。また、ギア８は定着ローラ１とは反対側から伝達ギア９によって駆動を伝達される。したがって、ギア８によって、外部からの駆動が定着ローラ１に直接伝達され、定着ローラ１が駆動回転する。このように、定着ローラ１が直接駆動回転するため、回転速度を所定回転速度に合わせることが容易に行え、回転速度が安定し、定着を良好に行わせることができる。
【００３８】
また、図２の矢印に示す方向に、定着ローラ１には、加圧ローラ５から総荷重１９６０Ｎなる荷重がかかっている。このように、大きな荷重が定着ローラ１にかかることによって、定着ローラ１は図４に示すように潰れた形状となる。図４のモデル図を参照してその効果を説明する。
【００３９】
加圧ローラ５の加圧力よって潰れた定着ローラ１の断面形状は、概略楕円形を形作り、その長径はおよそ４５ｍｍ、短径は３０ｍｍとなる。このため、定着ローラ１と加圧ローラ５とで形成されるニップは非常に大きなものとなりかつ、加圧力も従来機種並みの１９６０Ｎを負荷することで、非常に良好な定着性を得ることが可能となる。
【００４０】
本実施形態における定着ローラ１が潰れることにより大きくなったニップの幅は約８．５ｍｍを確保可能である。すなわち、従来、ニップの幅を広げると加圧ローラ側への進入量が増大し、加圧ローラの寿命劣化の原因となっていた。このため加圧ローラの寿命を維持した場合の定着ローラの外径は符号１０となり（φ３７ｍｍ）最大限のニップ幅は７．５ｍｍであった。仮に進入量をそのままとし、ニップの幅を８．５ｍｍにしようとした場合、定着ローラの外径は符号１１で示すφ６７．２ｍｍにも達し、現実的には不可能であった。しかしながら、本実施形態の上記の物性値を有する定着ローラ１を使い、ニップ幅８．５ｍｍを達成することができる。
【００４１】
ニップ幅８．５ｍｍを達成するためには、定着ローラ１を大きく潰すことが可能な材料が必要不可欠である。近年、この物性値を持った材料が複数社で開発され、組成内のＭｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏなどの配合や熱処理などを始めとする結晶構造を変化させることにより、上記低ヤング率かつ高応力材が入手可能となった。
【００４２】
一方、このように、大きく潰れる材質を定着ローラ１に用いたため、従来のような駆動伝達手段では定着ローラ１は回転しないという問題があった。そこで、本実施形態においては、ギア８と噛み合う切り欠き部１ａを定着ローラ１表面に形成し、加圧ローラ５側のギア８から定着ローラ１の切り欠き部１ａに駆動を伝達し、動力が入力される（図５参照）。図５に示すように、切り欠き部１ａとギア８が噛み合う位置は、ちょうどニップの位置である。このニップの位置で駆動が入力されることにより、定着ローラ１側の形状は常に安定した形状になるためスムースな駆動が可能となる。
【００４３】
以上のように本実施形態では、潰した定着ローラ１を採用することにより、ローラ対へのシートの侵入が非常にスムースなものとなり、従来シートが定着ローラへ接触した際に見られた画像への乱れが大幅に減少し、良好な定着性を得ることができる。
【００４４】
また、潰れる定着ローラ１は薄すぎず、寄りが生じないので、良好な定着性を得ることができる。
【００４５】
さらに、加圧ローラ５からの加圧力を潰れた定着ローラ１で受け止めているので、高速機を含めて、その他に加圧力を受け止める部材は必要なく、部品点数を削減でき、コストダウンを図ることができると共に、加圧力を良好に受け止めることができ、良好な定着性を得ることができる。
【００４６】
さらにまた、潰れた定着ローラ１は、ギア８から駆動を直接受けて駆動回転するので、回転を所定回転速度に合わせることができ、回転速度が安定し、良好な定着性を得ることができる。
【００４７】
また、潰れた定着ローラ１は強度も十分備えていることから定着ローラ１の内側に高価なリブを形成する必要がなく、部品点数を削減でき、コストダウンを図ることができる。
【００４８】
さらに、本実施形態の潰れた定着ローラ１の曲率はニップ通過後に局所的に大きくなるため、シートの定着ローラ１からの引き剥がしが自然に行われ、従来必須であった定着分離爪の廃止が可能となった。これによっても、部品点数が削減でき、コストダウンを図ることができる。
【００４９】
（第２の実施形態）
図６を参照して第２の実施形態を説明する。図６は本実施形態に係る定着装置の長手方向断面図である。
【００５０】
本実施形態では、加圧ローラ５からの加圧力をもっと増やし積極的に定着ローラ１を潰して使用したい場合に有効な構成であり、定着ローラ１の加圧ローラ５が配置された位置とは反対側に加圧補強部材１６を追加するものである。加圧補強部材１６は加圧ローラ５とともに定着ローラ１を挟持する形になり、定着ローラ１は加圧ローラ５のみで加圧された場合よりもさらに潰される。
【００５１】
なお、加圧補強部材１６は定着ローラ１表面に付着したトナーをふき取るクリーニングローラと兼用することも可能である。また、定着ローラ１表面にシリコンオイルなどを塗布するオイル塗布ローラと兼用することも可能である。
【００５２】
本実施形態では、定着ローラ１の長手方向端部の周面上に凸状のギア部１ｂを全周にわたって設け、同時に加圧補強部材１６の長手方向端部においてはギア部１ｂと一致する位置にギア１４を設ける。そして、加圧補強部材１６のギア１４には外部駆動装置からの駆動を伝達ギア１５により入力する。これによって、駆動伝達された加圧補強部材１６はギア１４を介して定着ローラ１に駆動を伝達し、定着ローラ１を駆動回転させる。
【００５３】
なお、定着ローラ１長手方向端部のギア部１ｂは第１の実施形態のように切り欠き部１ａとし、その切り欠き部１ａとギア１４とが噛み合うことで駆動が伝達されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】第１の実施形態に係る画像形成装置の断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る定着装置の長手方向断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る定着ローラの長手方向端部外観図である。
【図４】定着ローラの断面モデル図である。
【図５】第１の実施形態に係る定着装置の駆動伝達部の断面図である。
【図６】第２の実施形態に係る定着装置の長手方向断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  定着ローラ
１ａ  切り欠き部
１ｂ  ギア部
２  ベアリング
３  断熱ブッシュ
４  側板
５  加圧ローラ
６  ベアリング
７  側板
８  ギア
９  伝達ギア
１４  ギア
１５  伝達ギア
１６  加圧補強部材
１１０  定着装置
【図１】
2006023429.tif 000003
【図２】
2006023429.tif 000004
【図３】
2006023429.tif 000005
【図４】
2006023429.tif 000006
【図５】
2006023429.tif 000007
【図６】
2006023429.tif 000008