(57)【要約】【課題】  ニップ領域での圧力を最適化することによりオフセットの発生を防ぎ、良好な印刷画像を提供する。【解決手段】  アルミ製の中空円筒の内部に熱源を有し、表面に弾性層を被覆した加熱ロールと、鋼製回転体に弾性層を被覆した加圧ロールを設け、該加圧ロールを一定荷重にて膳焼き加熱ロールに押し付け、前記弾性層に歪が発生することによりニップ領域が形成され、該ニップ領域にて未定着トナー像の担持される記録紙を加熱、加圧定着させる定着装置において、前記ニップ領域内における平均面圧が０．４ｋｇｆ／ｃｍ２以上１．２ｇｆ／ｃｍ２以下であることを特徴とする。【選択図】図１
2006023642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミ製の中空円筒の内部に熱源を有し、表面に弾性層を被覆した加熱ロールと、鋼製回転体に弾性層を被覆した加圧ロールを設け、該加圧ロールを一定荷重にて膳焼き加熱ロールに押し付け、前記弾性層に歪が発生することによりニップ領域が形成され、該ニップ領域にて未定着トナー像の担持される記録紙を加熱、加圧定着させる定着装置において、前記ニップ領域内における平均面圧が０．４ｋｇｆ／ｃｍ２以上１．２ｇｆ／ｃｍ２以下であることを特徴とする定着装置。
【請求項２】
アルミ製の中空円筒の内部に熱源を有し、表面に弾性層を被覆した加熱ロールと、加圧弾性体との間に挟持される耐熱シート部材をロール間に巻き回して無端回動するエンドレスベルトを構成し、未定着トナー像の担持される記録紙を前記耐熱シート部材と前記加熱ロールとの間に未定着トナー像を前記耐熱シート部材に密着させて通過させ定着を行う定着装置において、前記加圧弾性の前記加熱ロールへの押し付け平均面圧が０．４ｋｇｆ／ｃｍ２以上１．２ｇｆ／ｃｍ２以下であることを特徴とする定着装置。
【請求項３】
前記加熱ロールの弾性層の厚さは、１２×弾性層の熱拡散率×ニップ領域通過時間の平方根にて定められる温度浸透厚さ以下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。
【請求項４】
前記エンドレスベルトには、前記耐熱性シートに耐熱弾性層および高離型性薄膜を施したことを特徴とする請求項２または３記載の定着装置。
【請求項５】
請求項１または２記載の定着装置を備え、シリコンオイル処理したシリカを外添したトナーを用いた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、定着装置及び画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
画像形成装置には、感光体に画像情報を静電潜像として書き込む潜像書き込み手段と、上記感光体上に形成された静電潜像をトナーによる顕像化する現像手段と、記録紙上に上記感光体上に形成されたトナー像を転写する転写手段と、上記記録紙上に転写されたトナー像を定着させる定着手段とを有する。このうち、定着手段には加熱ロールと加圧ロールを具備する熱ロール型定着方式が多く用いられている。本方式は、加熱ロールと加圧ロールを圧接することにより形成されるニップ領域に、トナー像が配置された記録紙を挿通させ、加熱及び加圧させることにより記録紙に溶融、融着され、ニップ領域を通過後冷却されることにより固着し記録紙にトナーが定着される。
【０００３】
加熱ロールは熱伝導性の良いアルミニウム等の中空円筒から成り、中心部には加熱用の熱源が備えられている。この熱源にはハロゲンランプが用いられることが多い。熱ロール型定着方式の場合の問題点の一つとして、ニップ領域においてトナー像へ投入する熱量が不足する場合、または過剰に投入した場合に、ニップ領域で接触したトナーが加熱ロールに付着するオフセット現象が発生することがある。前者をコールドオフセット、後者をホットオフセットと呼ぶ。この現象が発生すると、加熱ロールが一周した時にニップ領域にある記録紙へオフセットされたトナーが記録紙へ転移し誤印字を招くことになる。ここで、コールドおよびホットオフセットの発生しない領域を非オフセットバンドと呼ぶ。この問題を防ぐため、トナー像と接する加熱ロール表面部には、離型性の良いシリコンゴムやフッ素樹脂が被覆されている。更にシリコンオイル等を塗布することにより離型性を高める。また、それでも防ぐことのできない微少なオフセットトナーには、加熱ロール表面の汚れを拭き取るためのクリーナ機構を具備する場合がある。
【０００４】
一方、加圧ロールは鋼製の回転体であり、外周面には厚いシリコンゴム層が設けられ、さらに長寿命を目的としフッ素樹脂が被覆されている。加圧ロールには加熱ロールに一定荷重で圧接させるための押付け機構を有する。その際、圧接時に起こるシリコンゴムの変形によりニップ部が形成される。
【０００５】
加熱ロールの温度制御には加熱ロール端部にサーミスタを接触させるタイプ、非接触にてサーモパイルを具備するタイプなどがある。これら温度検知装置により得られた信号によりハロゲンランプがＯＮ−ＯＦＦし、ある一定の温度に保たれる。ハロゲンランプが複数の場合、各ハロゲンランプの発光部の中心部に対応するサーモパイルを設け、加熱ロールの温度分布を小さくする技術も提案されている。これは幅の異なる記録紙を通紙した場合、非通紙部の加熱ロール表面温度の上昇を防ぎ、温度分布を均一にし、効率的に用紙へ熱量を投入するためである。また、坪量の異なる記録紙を用いる際、坪量の重い記録紙では、加圧ロールからの熱量が減少し、記録紙へ投入される総熱量が減少し定着不良が発生するため、総熱量増加を目的とし、加熱ロールの制御温度を高くする場合がある（例えば、特許文献１参照）。また、坪量の重い記録紙の場合のみ、記録紙の搬送速度を減速させ、ニップ領域での投入熱量を増加させる手段がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
しかし、近年、加圧ロールと加圧弾性体の間にエンドレスベルトを介し未定着トナー像を定着させるベルト定着方式（例えば、特許文献３参照）が主流となりつつある。本方式ではニップ領域を比較的容易に拡大することが可能であり、また未定着トナー像の加熱と加圧を独立させることが大きな特徴である。これより、加熱、加圧のそれぞれの設定を最適化し、良好な定着画像を得ることが出来る。また、装置の小型化、ウォーミングアップ時間の短縮、省エネルギ化などにも大きく寄与することが特徴である。
【０００７】
【特許文献１】２０００−３３８８１６号公報（第２頁）
【０００８】
【特許文献２】特開平７−７７８８９号公報（第３−４頁）
【特許文献３】特開平６−２１４４７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述したような従来の定着装置において、問題の一つとして挙げられるのが、オフセットの発生である。オフセットの発生原因として考えられるのは、トナー像への投入熱量が不足することにより、トナー層内部に温度勾配が発生し、トナー層最下面と用紙表面との境界面温度がトナーを溶融させるに十分な熱量が得られず、トナー層が破断することによるコールドオフセット、過剰に熱量を投入することによりトナーの弾性が低くなり加熱ロール側に転移してしまうホットオフセットとに分けられる。ホットオフセットに関しては、加熱ロール表面に離型性を高めるためにオイルを塗布することにより大方防ぐことが出来る。しかし、コールドオフセットを防ぐには、ニップ領域を拡くする、すなわちニップ時間を長くすることが最も効率的な手段である。ニップ領域を拡大するには、加圧ロールゴム硬度の低下、加熱ロールおよび加圧ロールの大径化等が考えられる。更にニップ領域の圧力を強くすることも対策の一つである。しかし、上記には限界があり、更に装置の短寿命化や大型化に繋がり、賢明な策ではない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題は、ニップ領域内における平均面圧が０．４ｋｇｆ／ｃｍ２以上１．２ｇｆ／ｃｍ２以下にすることによって解決される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ニップ領域で発生し得るオフセットを防ぎ、記録紙上の担持された未定着トナー像へ効率的に熱量を効率的に投入することができ、誤印字の無い高品質な画像を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
高品質な印刷画像を得るという目的を、定着装置の大幅な変更をせず、ニップ領域の条件および加熱ロール表面層を適正化することによって実現した。
【実施例１】
【００１３】
以下、本発明の実施例について説明する。図１は熱ロール定着装置の断面図、図２は加熱ロールの部分拡大断面図、図３は加圧ローラの部分拡大断面図である。図１〜図３において、１は加熱ロール、１ａは芯金、１ｂは弾性層、１ｃは離型性表面層、２は加圧ロール、２ａは鋼製芯金、２ｂは弾性層、２ｃは離型性表面層、３はニップ領域、４は記録紙、５はトナー像、５、６はヒータランプ、７は加熱ロール用温度検出素子、８はオイル塗布ロールである。
【００１４】
内部に熱源を有する加熱ロール１に加圧ロール２が一定荷重で押圧されることによりニップ領域３が形成される。加熱ロール１の表面近傍の構造は図２に示すとおり、アルミ中空円筒１ａに弾性層１ｂおよびフッ素樹脂等の離型性樹脂１ｃを被覆したもので、一般にソフトロールと呼ばれているロールである。記録紙４の上面にはトナー像５が担持されている。ヒータランプ６は温度検出素子７により得られる出力値により、設定温度より高い場合はヒータランプ６がＯＦＦされ、設定温度より低い場合はＯＮされるよう制御される。
【００１５】
本実施例の定着装置は加熱ロール１が１８０℃で制御されており、ニップ領域３を約２０ｍｓで記録紙４が通過する。ここで、記録紙４の搬送速度は毎秒３６０ｍｍである。
【００１６】
図４は、定着時の大きな問題の一つとされている、オフセットの発生原理を説明した図である。オフセットには大きく分けてコールドオフセットとホットオフセットに分けられる。コールドオフセットは加熱ロール１からの熱量が不足してトナー像５の層内に温度勾配が発生し、図４のａに示すように、加熱ロール１と記録紙４との速度差によるせん断力９によりトナー像５の層の途中、または記録紙４との界面で破断し、加熱ロール１へオフセットトナー１０が転移すると考えられる。また、ホットオフセットに関してはトナー像５への熱量投入が過剰となり、トナー像５の粘弾性特性において粘性成分の占める割合が大きくなる。それによりトナー像５が分離しやすくなり、その結果加熱ロール１への接着力が大きくなり、オフセットトナー１０が転移することになる。以上はニップ領域３における熱量に対するオフセットの発生因子であるが、トータルの定着エネルギにはニップ領域３での圧力も含まれ、圧力もオフセットに大きく起因していると考えられる。そこで、ニップ領域３での圧力がオフセットの発生とどのような関係があり、圧力とのバランスによりオフセットを防ぐ領域があるか検討を行った。図５は、ニップ圧力を０から徐々に高くしていった時の非オフセットバンドである。ニップ圧はニッタ製のＩ−ＳＣＡＮを用いた。加熱ロール１の温度は１３０℃から２００℃まで変化させ、トナー像５を担持した記録紙（１８０ｋｇ紙）をニップ領域３を通過させ、加熱ロール１が１回転した場合の記録紙４上にてオフセットトナー１０の有無をルーペにより判断した。ここで、トナー像５にはポリエステル系トナーを用いた。通常オフセットトナー１０は加熱ロール１に転移した後、記録紙４に接触すると、加熱ロール１の方が離型性が良いため記録紙４へ転移する。記録紙４の送り速度は毎秒３６０ｍｍである。また、加熱ロール１にはジメチルシリコンオイルを均一に塗布してある。以上の実験より、非オフセットバンドが変らなくなるのは、ニップ圧力が０．４ｋｇｆ／ｃｍ２以上であることが分かる。即ち、ニップ圧力が０．４ｋｇｆ／ｃｍ２以上１．２ｇｆ／ｃｍ２以下であれば加熱ロール１の温度で５０℃と十分な非オフセットバンドが得られる結果が得られた。
【実施例２】
【００１７】
本発明の他の実施例を図６、図７で説明する。エンドレスベルトは２００℃以上程度の耐熱性を持つ耐熱シート部材１１であり、厚さ７５μｍ〜５ｍｍ程度が望ましい。材質としてはポリイミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケトン等が用いられる。また、ベースとなる耐熱シート部材１１の表面には、図７に示す通り、ふっ素ゴムやシリコンゴム等の耐熱弾性体１１ａ、更に高離型性薄膜１１ｂを積層して形成されている。高離型性薄膜１１ｂを積層することにより離型性を良くし、トナーの付着や摩耗を防ぐ効果を得られる。また、耐熱弾性体１１ａを積層することにより、ニップ領域３の出口における記録紙４の剥離性能を高める効果が得られる。更にエンドレスベルトの搬送性向上にも効果があり、寄りやシワの無い搬送が可能となる。
【００１８】
ニップ領域３を決めるのは、耐熱シート部材１１を介して設けられる加圧弾性体１０による。圧力パット１０の形状には直方体の他にもロール形状も用いられることがあり、実施例１同様、加圧弾性体１０によるニップ領域３内のニップ圧力を０．４ｋｇｆ／ｃｍ２以上１．２ｇｆ／ｃｍ２以下にすることで、オフセットを防ぎ、良質な画像を得ることができる。
【実施例３】
【００１９】
本発明の他の実施例を説明する。図１および図６に示す定着装置において、加熱ロール１はアルミニウム製の中空円筒の外周に弾性層１ｂを被覆したロールである。弾性層１ｂの材質にはふっ素ゴム、シリコンゴム、エチレンゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム等の耐熱性ゴムが用いられる。弾性層１ｂの厚さは定着装置の構成上決定されるニップ領域３の通過時間ｔ［ｓ］（０．３６［ｓ］）と、弾性層１ｂの熱拡散率ａ［ｍ２／ｓ］（ａ＝８３．７×１０−６［ｍ２／ｓ］）により定められる温度浸透厚さ（δ＝（１２ａｔ）１／２）［ｍ］以下にすることにより熱応答性を良くし、印刷開始時の加熱ロール１温度降下や弾性層１ｂ内に発生する温度勾配を低減し、芯金（アルミニウム）との界面での温度を低下させ、弾性層１ｂの寿命を長くすることができる。
【００２０】
また、弾性層１ｂではニップ領域３内部において、弾性層１ｂがトナー像５を潰す量を低減する弾性効果により高品質な画像を得ることができる。
【実施例４】
【００２１】
本発明の更に他の実施例について説明する。トナー像４はポリエステル系トナーである。このトナーにシリコンオイル処理したシリカ、例えば、日本アイロジルのＲＹ５０、ＮＹ５０、ＲＹ２００Ｓ、Ｒ２０２、ＲＹ２００、ＲＹ３００を外添させることにより、更に非オフセットバンドを拡大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】熱ロール定着方式を説明する断面図。（実施例１）
【図２】加熱ロールの部分拡大断面図。（実施例１）
【図３】加圧ロールの部分拡大断面図。（実施例１）
【図４】オフセットの発生原理を説明する断面図。
【図５】非オフセットバンドの確認結果を示す図。（実施例１）
【図６】エンドレスベルトによる定着方式の断面図。（実施例２）
【図７】耐熱シート部材のフィルムの部分拡大断面図。（実施例２）
【符号の説明】
【００２３】
１  ：加熱ロール
１ａ：芯金
１ｂ：弾性層
１ｃ：離型性表面層
２  ：加圧ロール
２ａ：鋼製回転体
２ｂ：弾性体
２ｃ：離型性表面層
３  ：ニップ領域
４  ：記録紙
５  ：トナー像
６  ：ヒータランプ
７  ：温度検出素子
８  ：オイル塗布ロール
９  ：ニップ領域内部でトナー像にはたらくせん断力
１０：加圧弾性体
１１：耐熱フィルム
１１ａ：耐熱シート部材
１１ｂ：高離型性薄膜
【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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