(57)【要約】【課題】他部材からの加圧力を自らの弾性力で受け止め、その加圧力によりつぶれを生じる薄肉ローラは、そのつぶれによって疲労破壊を生じてしまう。疲労破壊を防ぐために疲れ限度値が所定の値以上の材料を選定しても、材料のヤング率によっては、依然疲労破壊が生じてしまい、所望の寿命を得られない。【解決手段】薄肉ローラ５の材料選定方法を、薄肉ローラ５としての選定の対象となる材料毎のヤング率及び疲れ限度値を準備して、疲れ限度値がヤング率に基づく所定値を指標とした条件の範囲内にある材料を選定するものとする。ヤング率と、疲れ限度値とを２次元的に考慮し、所定の範囲内におけるあるヤング率に対して疲れ限度値が疲労破壊を生じない値以上である材料を選定する方法を採ることで、薄肉ローラ５を、疲労破壊を生じることなく所望の寿命を有したものに出来、かつ、定着装置を、安定した定着性を確保したものに出来る。【選択図】図１
2008233749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱手段によって加熱がされる定着部材と、
当部材に対向して配設された前記定着部材を互いの対向方向に加圧する加圧部材とを具備しており、
前記加圧部材又は前記定着部材の少なくとも一が、自らに対向した部材からの圧力を自らの弾性力で受け止める薄肉ローラであり、
そして、前記対向方向において、加圧がされる前の前記薄肉ローラの内周面間の距離をＡ、及び加圧がされたときの前記薄肉ローラの内周面間の距離の最小をＢとしたとき、ＡのＢに対する比Ａ／Ｂが１＜Ａ／Ｂ≦２程度となるように構成された定着装置に用いられる前記薄肉ローラについての材料選定方法であって、
前記薄肉ローラとしての選定の対象となる材料毎のヤング率及び疲れ限度値を準備する工程と、
前記疲れ限度値が前記ヤング率に基づく所定値を指標とした条件の範囲内にある材料を選定する工程とを有した薄肉ローラ材料選定方法。
【請求項２】
加熱手段によって加熱がされる定着部材と、
当部材に対向して配設された前記定着部材を互いの対向方向に加圧する加圧部材とを含み備えて、
前記加圧部材又は前記定着部材の少なくとも一が、自らに対向した部材からの圧力を自らの弾性力で受け止める薄肉ローラについて、
前記対向方向において、加圧がされる前の前記薄肉ローラの内周面間の距離をＡ、及び加圧がされたときの前記薄肉ローラの内周面間の距離の最小をＢとしたとき、ＡのＢに対する比Ａ／Ｂが１＜Ａ／Ｂ≦２程度となるように構成された定着装置であって、
前記薄肉ローラは、前記薄肉ローラの材料について、ヤング率をＥ（Ｐａ）、疲れ限度値をＺ（Ｐａ）としたとき、ＺのＥ２／３に対する比Ｚ／Ｅ２／３の値が１３以上であり、かつ、Ｅが１．０×１０１１（Ｐａ）以上であることを特徴とした定着装置。
【請求項３】
前記薄肉ローラは、時効硬化特性を有しており、時効硬化処理後の引張り強さＹが、時効硬化処理前の引張り強さの１．６倍以上であることを特徴とした請求項２記載の定着装置。
【請求項４】
前記薄肉ローラの軸長さ方向から見た断面において、前記薄肉ローラの外周線における前記薄肉ローラに対向した部材が位置した側とは反対の側の一部の弧に沿った略円弧状をなす面を有し、その面にて、前記薄肉ローラをそのローラ軸回りに自転自在にさせて保持する薄肉ローラ支持部材をさらに備えたことを特徴とした請求項２に記載の定着装置。
【請求項５】
前記薄肉ローラは、少なくともローラ軸端部におけるビッカース硬度Ｈｖが２５０以上であることを特徴とした請求項４に記載の定着装置。
【請求項６】
前記定着部材は、薄肉ローラであり、
かつ、前記薄肉ローラの熱伝導率が４５（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とした請求項２に記載の定着装置。
【請求項７】
当部材に対向して配設された部材を互いの対向方向に加圧する加圧部材と、
加熱手段によって加熱がされる定着部材であり、当部材に対向した前記加圧部材で加圧されてその圧力を自らの弾性力で受け止める薄肉ローラと、
前記薄肉ローラの軸長さ方向から見た断面において、前記薄肉ローラの外周線における前記薄肉ローラに対向した部材が位置した側とは反対の側の一部の弧に沿った略円弧状をなす面を有し、その面にて前記薄肉ローラを、そのローラ軸回りに自転自在にさせて保持する薄肉ローラ支持部材と、
を含み備え、
前記対向方向において、加圧がされる前の前記薄肉ローラの内周面間の距離をＡ、及び加圧がされたときの前記薄肉ローラの内周面間の距離の最小をＢとしたとき、ＡのＢに対する比Ａ／Ｂが１＜Ａ／Ｂ≦２程度となるように構成された定着装置であって、
前記薄肉ローラは、ベリリウム銅合金、またはチタン銅合金からなることを特徴とした定着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複写機、プリンタ、ＦＡＸ等の画像形成装置に用いられる定着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、画像形成装置に用いられる定着装置として、円筒状のローラでありその筒の内側にヒータが配設された定着ローラと、この定着ローラに対向する加圧ローラとを備えた熱ローラ方式の定着装置が広く用いられている。このような熱ローラ方式の定着装置では、近年、画像形成装置における省電力化やウォームアップ時間短縮の要求に応えるために定着装置全体の低熱容量化が求められており、その対応として肉厚の薄い定着ローラが用いられている。
【０００３】
ここで、このような肉厚の薄い定着ローラでは、この定着ローラに加圧ローラでの加圧がされると、ローラ軸方向にたわみが生じてしまう。このたわみによって、ローラの中央部と端部とでは加圧ローラへの圧接力に差が発生する。そして、この圧接力の差によって、画質ムラが起こる。そこで、たわみが発生しにくいローラにするために、曲げ剛性を大きくすることが必要とされている。
【０００４】
曲げ剛性を大きくする方法として、１つ目にはローラ径を大きくする方法があり、２つ目にはヤング率の大きい材料を使用する方法がある。
【０００５】
１つ目の方法では、曲げ剛性を大きく出来るが、装置サイズが大きくなってしまうので、この方法は小型装置に対しては好ましくない。
【０００６】
２つ目の方法では、ローラの体積を増加させることなく曲げ剛性を大きくすることが可能である。そして、この方法では定着装置全体の熱容量が増加しない。それゆえ、ウォームアップ時間が遅くならないので、画像形成装置を省エネに対応したものにできる。
【０００７】
これらのことから、ローラの材質を決める際にはヤング率の大きい材料を選定するのが好ましいとされてきている。
【０００８】
そのような定着装置に関し、最近では、上述した従来の方法よりもさらに低熱容量化に対応した定着装置として、特許文献１に示されたような定着装置が提案されている。その提案では、定着ローラは、加圧ローラからの加圧力を自らの弾性力で受け止める薄肉ローラとなっている。この薄肉ローラは、従来の定着ローラよりもさらに薄肉なものになっている。それゆえ、生じるたわみが従来のものよりもより大きくなってしまうが、薄肉ローラがつぶれることにより、かえって均一な圧接力を得ることが出来るという利点を有している。
【０００９】
しかし、このような薄肉ローラは、薄肉ローラがつぶれることにより、薄肉ローラ表層の変形部分に応力がかかる。そして、長期間使用されると、その応力によって疲労破壊が生じ易い。そこで、そのような疲労破壊を抑えるために、特許文献１は、薄肉ローラについて、その材料の「疲れ限度を１４ｋＰ／ｍｍ２以上とする」と記載している。つまり、特許文献１は、薄肉ローラの材料選定について、疲れ限度が所定の値以上の材料を選定すべきことを示している。
【特許文献１】特許第３７３８６１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、薄肉ローラの上記従来の材料選定では、従来の考え方の例としての特許文献１には「疲れ限度を１４ｋＰ／ｍｍ２以上とする」と記載されているもののヤング率に関しての記載がないことから、ヤング率をさらに格別考慮することはされなかったが、疲れ限度値が特許文献１において示されたような条件を満たす場合であっても、ヤング率がある程度以上に大きいと、疲労破壊を生じてしまうことがある。
【００１１】
すなわち、薄肉ローラは、つぶれることで均一な圧接力を与えようとするものであり、均一な圧接力を得るためにはつぶれ量をある程度以上にしなければならない。このとき薄肉ローラ表層の変形部分（変形部と呼ぶ）にはそのつぶれ量と共にヤング率にも比例した応力が掛るので、ヤング率がある程度以上に大きいと、その応力が薄肉ローラの疲れ限度値を超え、疲労破壊を生じる。このように、薄肉ローラの疲れ限度値を所定の値以上としただけでは、薄肉ローラは、そのヤング率によっては疲労破壊が生じてしまうことがあり、所望の寿命が得られない。
【００１２】
また、前述したようにヤング率がある程度以上に大きいと薄肉ローラは疲労破壊を生じることから、ヤング率がある程度以上に大きな材料を選定することはできないところ、上記従来の材料選定では疲労破壊を生じさせないために疲れ限度値が大きい材料を選択することになるが、一般に疲れ限度値が大きい材料はヤング率も大きい材料であることが多いので、結局、そのような選定がされた材料はヤング率も大きなものであることが多い。このように、薄肉ローラの疲れ限度値を所定の値以上としただけの選択では、そのような選択がされた材料は、ヤング率も大きなものであることが多いので、薄肉ローラが疲労破壊してしまい、所望の寿命が得られないことが多い。
【００１３】
以上のように、ヤング率は薄肉ローラの疲労破壊に関わるものであって薄肉ローラの材料選定において考慮すべき要素であるにもかかわらず、特許文献１では、薄肉ローラの材料を選定する場合において、ヤング率を考慮しておらず、疲れ限度値だけを独立につまり１次元的にしか見ていないということが言え、このような薄肉ローラの疲れ限度値を所定量以上としただけの選定によっては、薄肉ローラは、そのヤング率によっては疲労破壊が生じてしまい、所望の寿命を得られないという課題があった。
【００１４】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、薄肉ローラの材料を選定する際に薄肉ローラのヤング率と疲れ限度値とを２次元的に考慮することにより、疲労破壊せず所望の寿命を有すことが出来る薄肉ローラを形成するための材料の選定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、上記目的を達成するために、加熱手段によって加熱がされる定着部材と、当部材に対向して配設された前記定着部材を互いの対向方向に加圧する加圧部材とを具備しており、前記加圧部材又は前記定着部材の少なくとも一が、自らに対向した部材からの圧力を自らの弾性力で受け止める薄肉ローラであり、そして、前記対向方向において、加圧がされる前の前記薄肉ローラの内周面間の距離をＡ、及び加圧がされたときの前記薄肉ローラの内周面間の距離の最小をＢとしたとき、ＡのＢに対する比Ａ／Ｂが１＜Ａ／Ｂ≦２程度となるように構成された定着装置に用いられる前記薄肉ローラの材料選定方法を、前記薄肉ローラとしての選定の対象となる材料毎のヤング率及び疲れ限度値を準備する工程と、前記疲れ限度値が前記ヤング率に基づく所定値を指標とした条件の範囲内にある材料を選定する工程とを有したものとする。
【００１６】
また、加熱手段によって加熱がされる定着部材と、当部材に対向して配設された前記定着部材を互いの対向方向に加圧する加圧部材とを含み備えて、前記加圧部材又は前記定着部材の少なくとも一が、自らに対向した部材からの圧力を自らの弾性力で受け止める薄肉ローラについて、前記対向方向において、加圧がされる前の前記薄肉ローラの内周面間の距離をＡ、及び加圧がされたときの前記薄肉ローラの内周面間の距離の最小をＢとしたとき、ＡのＢに対する比Ａ／Ｂが１＜Ａ／Ｂ≦２程度となるように構成された定着装置を、前記薄肉ローラは、前記薄肉ローラの材料について、ヤング率をＥ（Ｐａ）、疲れ限度値をＺ（Ｐａ）としたとき、ＺのＥ２／３に対する比Ｚ／Ｅ２／３の値が１３以上であり、かつ、Ｅが１．０×１０１１（Ｐａ）以上であることを特徴としたものとしてもよい。
【００１７】
また、当部材に対向して配設された部材を互いの対向方向に加圧する加圧部材と、加熱手段によって加熱がされる定着部材であり、当部材に対向した前記加圧部材で加圧されてその圧力を自らの弾性力で受け止める薄肉ローラと、前記薄肉ローラの軸長さ方向から見た断面において、薄肉ローラの外周線における前記薄肉ローラに対向した部材が位置した側とは反対の側の一部の弧に沿った略円弧状をなす面を有し、その面にて薄肉ローラを、そのローラ軸回りに自転自在にさせて保持する薄肉ローラ支持部材とを含み備え、前記対向方向において、加圧がされる前の前記薄肉ローラの内周面間の距離をＡ、及び加圧がされたときの前記薄肉ローラの内周面間の距離の最小をＢとしたとき、ＡのＢに対する比Ａ／Ｂが１＜Ａ／Ｂ≦２程度となるように構成された定着装置を、前記薄肉ローラは、ベリリウム銅合金、またはチタン銅合金からなることを特徴としたものとしてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、薄肉ローラの材料選定方法を、薄肉ローラとしての選定の対象となる材料毎のヤング率及び疲れ限度値を準備して、疲れ限度値が前記ヤング率に基づく所定値を指標とした条件の範囲内にある材料を選定するものとすることで、薄肉ローラの材料を選定する際に、薄肉ローラのヤング率と疲れ限度値とを関連づけて２次元的に考慮でき、これにより、疲労破壊せず所望の寿命を有すことが出来る薄肉ローラを形成するための材料を選定することが出来る。
【００１９】
すなわち、薄肉ローラを形成する材料毎のヤング率と疲れ限度値とを準備してヤング率が分かることで、各材料について、薄肉ローラのつぶれ量と加圧力との関係を求めることが出来、さらに、その薄肉ローラのつぶれ量とヤング率との関係から、変形部に生じる応力を求めることが出来るようになる。つまり、各材料について、変形部に生じる応力を、加圧力と、薄肉ローラのつぶれ量とによって求めることが出来るようになる。ここで、加圧力と、薄肉ローラのつぶれ量との各値は、定着装置の設計において未定着トナーを記録紙に定着させるための最低限必須の値として定まるので、従って、各材料について、ヤング率が分かることで、変形部に生じる応力を求めることができることとなる。
【００２０】
そして、そのようにヤング率によって決まる変形部に生じる応力の値を指標として、疲れ限度値がその指標より大きい材料を選定することで、このようにして選定された材料は、その疲れ限度値が、変形部に生じる応力の値よりも大きいので、その材料でなる薄肉ローラを疲労破壊が生じないものにできる。また、その指標とするヤング率の値を、さらに、定着装置としての加圧力に対して薄肉ローラのつぶれ量を適当にできる範囲内のものとすることで、定着装置は、薄肉ローラがつぶれ過ぎず十分な圧接力を確保することができるので、安定した定着性を確保することも出来る。
【００２１】
このように、薄肉ローラの材料の選定において、ヤング率と疲れ限度値とを２次元的に考慮して、つまり、所定の範囲内におけるあるヤング率に対して疲れ限度値が疲労破壊を生じない値以上である材料を選定する方法を採ることで、薄肉ローラを、疲労破壊を生じることなく、所望の寿命を有したものに出来、かつ、定着装置を、安定した定着性を確保したものに出来るという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の実施の第１の形態は、画像形成装置の定着装置に用いられる薄肉ローラの材料選定方法である。
【００２３】
当該定着装置は、加圧部材である加圧ローラと、加圧ローラと対向した定着部材である定着ローラと、その定着ローラを加熱する加熱手段とを備える。ここで、加圧ローラまたは定着ローラの少なくとも一が、自らに対向した部材からの圧力を自らの弾性力で受け止める薄肉ローラであり、そして、加圧ローラと定着ローラとの対向方向において、加圧がされる前の薄肉ローラの内周面間の距離をＡ、及び加圧がされたときの薄肉ローラの内周面間の距離の最小をＢとしたとき、ＡのＢに対する比Ａ／Ｂが１＜Ａ／Ｂ≦２程度となるように構成される。
【００２４】
そして、本形態は、このように構成された定着装置に用いられる薄肉ローラの材料選定方法を、薄肉ローラとしての選定の対象となる材料毎のヤング率及び疲れ限度値を準備する工程と、疲れ限度値がヤング率に基づく所定値を指標とした条件の範囲内にある材料を選定する工程とを有したものとしたものである。
【００２５】
このような構成によって、薄肉ローラの材料選定方法を、材料毎のヤング率及び疲れ限度値を準備して、疲れ限度値がヤング率に基づく所定値を指標とした条件の範囲内にある材料を選定するものとすることで、ヤング率と疲れ限度値とを２次元的に考慮して、あるヤング率に対して、疲れ限度値が疲労破壊を生じない値以上の材料を選定することができるので、その材料での薄肉ローラを、疲労破壊せず所望の寿命を有したものに出来る。
【００２６】
すなわち、例えば定着ローラが薄肉ローラで構成された場合において、一般に、薄肉ローラは、薄肉ローラが加圧ローラに加圧されることによりローラにつぶれが生じて、薄肉ローラの加圧ローラとの対向面にニップが形成され、ニップには薄肉ローラと加圧ローラとの互いの対向方向に圧接力がかかる。ここで、薄肉ローラとは、薄肉ローラと加圧ローラとの対向方向における、薄肉ローラの加圧がされる前の内周面間の距離（ロール内径長さ）をＡとし、薄肉ローラの加圧がされたときの内周面間の距離（ロール内径長さ）の最小をＢとしたとき、つぶれ量の指標であるＡのＢに対する比Ａ／Ｂが１＜Ａ／Ｂ≦２程度に、つぶれ量が従来一般の曲げ剛性の大きなローラよりも比較的大きいつぶれを生じるものである。
【００２７】
そして、未定着のトナーで画像が形成された記録紙がニップを通過するときに、その未定着トナーを記録紙にオフセットなく定着させるためには、未定着トナーに十分な熱を加えるためのニップ幅と、未定着トナーを記録紙に十分に圧接させるための圧接力との両方が必須となる。
【００２８】
ここで、圧接力は、加圧ローラを薄肉ローラに加圧する加圧力と相関がある。また、薄肉ローラを用いた定着装置では、薄肉ローラのつぶれによりニップ幅を広く取れる構成であり、薄肉ローラと加圧ローラの対向方向のつぶれ量が大きくなると、ニップ幅は広く取れるという相関がある。それゆえ、定着装置の設計において、未定着トナーを記録紙に定着させるための最低限必須のニップ幅と、圧接力とを決定すると、最低限必須の薄肉ローラのつぶれ量と、加圧ローラを薄肉ローラに加圧する加圧力とが定まる。
【００２９】
しかし、加圧によるローラのつぶれ量が大きい薄肉ローラは、長期間使用すると、薄肉ローラが疲労破壊を生じ、所望の寿命を得られない懸念がある。それは、薄肉ローラのつぶれにより、薄肉ローラ表層の変形部分に応力が生じ、その変形部に生じる応力が、薄肉ローラの疲れ限度値より大きいときには、薄肉ローラが疲労破壊を生じてしまうからである。ここで、前記の疲れ限度値とは、代表的な両振り試験をしたときの、繰り返し数１０７回のときの疲れ限度値を用いることができる。繰り返し数を１０７回にする理由については、画像形成装置の定着装置に用いるためのものとしては、薄肉ローラの寿命が１０７回もてば、画像形成装置自体の寿命を一般に十分満たすからである。
【００３０】
そこで、変形部に生じる応力を求め、それに対し、疲れ限度値がより大きいものを薄肉ローラの材料として選定することで、疲労破壊しない薄肉ローラを得ることが出来る。
【００３１】
そのために、まず初めに、薄肉ローラを形成する材料毎のヤング率と、疲れ限度値とを準備しておく。ヤング率が分かることで、薄肉ローラのつぶれ量を、加圧力と、ヤング率との関係で求めることが出来、また、その薄肉ローラのつぶれ量と、ヤング率との関係により、変形部に生じる応力を求めることが出来るようになる。つまり、変形部に生じる応力は、加圧力と、薄肉ローラのつぶれ量と、ヤング率との関係によって求めることが出来るようになる。ここで、加圧力と、薄肉ローラのつぶれ量との各値は、前述のとおり、定着装置の設計において未定着トナーを記録紙に定着させるための最低限必須の値として定まるので、変形部に生じる応力は、ヤング率によって決まることとなる。
【００３２】
次に、そのようにヤング率によって決まる変形部に生じる応力の値を指標として、疲れ限度値がその指標より大きい材料を選定する。このようにして選定された材料は、その疲れ限度値が、変形部に生じる応力の値よりも大きいので、その材料でなる薄肉ローラを疲労破壊が生じないものにできる。また、その指標とするヤング率の値を、さらに、定着装置としての加圧力に対して薄肉ローラのつぶれ量を適当にできる範囲内のものとすることで、定着装置は、薄肉ローラがつぶれ過ぎず十分な圧接力を確保することができるので、安定した定着性を確保することも出来る。
【００３３】
このように、薄肉ローラの材料の選定において、ヤング率と、疲れ限度値とを２次元的に考慮して、つまり、所定の範囲内におけるあるヤング率に対して疲れ限度値が疲労破壊を生じない値以上である材料を選定する方法を採ることで、薄肉ローラを、疲労破壊を生じることなく、所望の寿命を有したものに出来、かつ、定着装置を、安定した定着性を確保したものに出来る。
【００３４】
なお、以上に述べた本形態では、薄肉ローラは、定着部材である定着ローラに用いられるとしたが、加圧部材である加圧ローラに用いられてもよいし、さらには、定着ローラ及び加圧ローラ共に薄肉ローラであってもよい。また、定着部材が薄肉ローラであるとき、加圧部材は回転しなくてもよく、定着部材と加圧部材の間にベルトを設けてもよい。
【００３５】
本発明の実施の第２の形態は、画像形成装置に用いられる定着装置である。
【００３６】
当該定着装置は、加圧部材である加圧ローラと、加圧ローラと対向して配設された定着部材である定着ローラと、その定着ローラを加熱する加熱手段とを備えている。ここで、加圧ローラまたは定着ローラの少なくとも一が、自らに対向した部材からの圧力を自らの弾性力で受け止める薄肉ローラであり、そして、加圧ローラと定着ローラとの対向方向において、加圧がされる前の薄肉ローラの内周面間の距離をＡ、及び加圧がされたときの薄肉ローラの内周面間の距離の最小をＢとしたとき、ＡのＢに対する比Ａ／Ｂが１＜Ａ／Ｂ≦２程度となるように構成されている。
【００３７】
そして、本形態は、薄肉ローラの材料について、ヤング率をＥ（Ｐａ）、疲れ限度値をＺ（Ｐａ）としたとき、ＺのＥ２／３に対する比Ｚ／Ｅ２／３の値が１３以上であり、かつ、Ｅが１．０×１０１１（Ｐａ）以上であることを特徴としたものである。
【００３８】
このような構成によって、薄肉ローラの材料について、Ｚ／Ｅ２／３の値が１３以上であり、かつ、Ｅが１．０×１０１１（Ｐａ）以上とすることで、薄肉ローラの疲れ限度値が、つぶれにより生じる応力より、所定量だけ大きいものにできるので、定着装置は、薄肉ローラを、疲労破壊を生じることのない所望の寿命を有したものに出来ると共に、薄肉ローラがつぶれすぎず、十分な圧接力を確保することができるので、安定した定着性を確保することが出来る。
【００３９】
すなわち、例えば定着ローラが薄肉ローラで構成された場合において、一般に、薄肉ローラは、実施の第１の形態にて述べたとおり、加圧ローラに加圧されることによりローラにつぶれが生じて、薄肉ローラの加圧ローラとの対向面にニップが形成され、ニップには薄肉ローラと加圧ローラとの互いの対向方向に圧接力がかかる。そして、薄肉ローラの設計において、未定着トナーを記録紙にオフセットなく定着させるための最低限必須のニップ幅と、圧接力とを決定したとき、所望の寿命を有した薄肉ローラを構成するためには、薄肉ローラの材料の疲れ限度値が、つぶれにより生じる応力よりも大きい必要がある。
【００４０】
このとき、薄肉ローラの材料の疲れ限度値がつぶれにより生じる応力よりも大きいことについて、その程度を、薄肉ローラの疲れ限度値とつぶれにより生じる応力との関係をつぶれにより生じる応力に対する疲れ限度値の比で表わして、その比の値によってみることができる。
【００４１】
そして、我々は、材料のヤング率をＥ、疲れ限度値をＺとしたとき、つぶれにより生じる応力は、ｂＥ２／３（ｂは定数）となるので、疲れ限度値と、つぶれにより生じる応力との関係は、Ｚ／（ｂＥ２／３）と表すことができ、種々の実験を行った結果、Ｚ／Ｅ２／３が１３以上である材料を用いて、所望の寿命を有した薄肉ローラを形成することが出来る知見を得た。
【００４２】
また、定着ローラは、良好で安定した定着性を確保するためには、オフセットウィンドウが広い定着性能を有する必要がある。ここで、オフセットウィンドウとは、画像形成装置を使用する環境下において、未定着トナーを記録紙にオフセットなく定着させることができる薄肉ローラの最低温度と、最高温度との差（幅）のことである。このような定着性の確保について、我々は、そのためには、未定着トナーに十分な熱を加えるためのニップ幅と、未定着トナーを記録紙に十分に圧接するための圧接力との両方が必須となること、薄肉ローラをヤング率の小さい材料で形成すると、薄肉ローラが加圧ローラによって加圧されたときに、薄肉ローラのつぶれが大きくなり、十分な圧接力を得ることが出来ないこと、そこで、十分な圧接力を確保するためには、薄肉ローラがつぶれすぎないヤング率を選定する必要があること、そして、種々の実験を行った結果、前述のＺ／Ｅ２／３が１３以上であることに加え、ヤング率Ｅが、１．０×１０１１Ｐａ以上の範囲であれば、オフセットウィンドウの広い安定した定着性を確保することが出来る旨の知見を得た。
【００４３】
このように、薄肉ローラの材料について、Ｚ／Ｅ２／３の値が１３以上であり、かつ、Ｅが１．０×１０１１（Ｐａ）以上の範囲とすることで、薄肉ローラの材料の選定において、ヤング率と、疲れ限度値とを２次元的に考慮して、つまり、所定の範囲内におけるあるヤング率に対して疲れ限度値が疲労破壊を生じない値以上である材料を選定する方法が確実に採れて、薄肉ローラを、疲労破壊を生じることなく、所望の寿命を有したものに出来、かつ、定着装置を、安定した定着性を確保したものに出来る。
【００４４】
なお、以上に述べた本形態では、薄肉ローラは、定着部材である定着ローラに用いられるとしたが、加圧部材である加圧ローラに用いられてもよいし、さらには、定着ローラ及び加圧ローラ共に薄肉ローラであってもよい。また、定着部材が薄肉ローラであるとき、加圧部材は回転しなくてもよく、定着部材と加圧部材の間にベルトを設けてもよい。
【００４５】
本発明の実施の第３の形態は、実施の第２の形態において、薄肉ローラは、時効硬化特性を有しており、時効硬化処理後の引張り強さＹが、時効硬化処理前の引張り強さの１．６倍以上であることを特徴としたものである。
【００４６】
薄肉ローラを形成する材料のヤング率が同じ場合、疲れ限度値は大きい方が疲労破壊は生じにくくなるが、疲れ限度値が大きい材料は、一般的に引張り強さも大きいので、薄肉ローラをスピニング加工によって加工するとき、引張り強さが大きい材料を成形するのは従来一般的に困難であった。しかし、本形態の構成によって、薄肉ローラを形成する材料を時効硬化特性を有したものとし、そして、時効硬化処理する前に加工し、加工後に時効硬化処理を行って、引張り強さを処理前の１．６倍以上とすることで、定着装置における定着ローラとしての薄肉ローラの材料の選定において、所定の範囲内におけるあるヤング率に対して疲れ限度値が疲労破壊を生じない値以上である材料を選定する方法が確実に採れた上で、薄肉ローラの形成時に必要とされるスピニング加工が比較的容易になるので、そのような薄肉ローラの入手をし易いものに出来る。
【００４７】
本発明の実施の第４の形態は、実施の第２の形態において、薄肉ローラで構成されている例えば定着ローラを、その軸方向における両方の端部においてそれぞれ保持する薄肉ローラ支持部材が配設されたものである。この各薄肉ローラ支持部材は、薄肉ローラ（定着ローラ）の軸長さ方向から見た断面において、薄肉ローラの外周線における薄肉ローラに対向した部材（加圧ローラ）が位置した側とは反対の側の一部の弧に沿った略円弧状をなす面を有しており、その面にて、薄肉ローラをそのローラ軸回りに回転自在となるように保持している。すなわち、この薄肉ローラ支持部の内側半径（内径）は、弾性変形前の薄肉ローラの半径（外径）よりも大きくされている。そして、薄肉ローラが加圧ローラにより対向方向に加圧されると、薄肉ローラの外周面における加圧ローラが位置した側とは反対の側の一部分が、薄肉ローラ支持部材の内面の一部分に略沿うようになり、その状態において、薄肉ローラが摩擦力で薄肉ローラ支持部材に駆動されて自転するように構成されている。
【００４８】
このような発明の構成によって、定着装置における定着ローラとしての薄肉ローラの材料の選定において、所定の範囲内におけるあるヤング率に対して疲れ限度値が疲労破壊を生じない値以上である材料を選定する方法が確実に採れた上で、定着装置を、薄肉ローラが、加圧ローラによって対向方向に加圧されることによるつぶれ変形をしても、自転自在に安定に保持されたものにできる。
【００４９】
本発明の実施の第５の形態は、実施の第４の形態において、薄肉ローラを少なくともローラ軸端部におけるビッカース硬度Ｈｖが２５０以上のものとしたものである。
【００５０】
前述した実施の第４の形態は、薄肉ローラが、加圧ローラによって加圧された状態において、その端部における外周面の、薄肉ローラと対向した部材（加圧ローラ）が位置した側とは反対の側の一部分と、薄肉ローラ支持部材の内周面の一部分とが略沿い、摩擦力で薄肉ローラ支持部材に駆動されて自転するものである。ここで、一般に、そのようなローラは、その支持部材より硬い材料で形成されていても、ローラの外周面は、支持部材の内周面との接触部分が削れてしまう。殊に肉厚の薄いローラでは、支持部材の内周面との接触面が削れることで、破壊が生じる可能性があった。
【００５１】
そこで、実施の第４の形態における定着装置は、上述した構成によって、薄肉ローラをビッカース硬度Ｈｖ２５０の例えばコルソン合金で形成されたものとすることで、支持部材と接触する薄肉ローラの外周面の削れが抑えられて、薄肉ローラの寿命劣化をより抑えることが出来る。
【００５２】
本発明の実施の第６の形態は、実施の第２の形態において、薄肉ローラから構成されている定着ローラの熱伝導率が４５（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることを特徴としたものである。
【００５３】
一般に、定着ローラは、未定着トナーが形成された記録紙がニップを通過するときに、未定着トナーと記録紙とに熱を奪われる。そして、定着ローラが薄肉ローラで構成されていると、そのことで低熱容量化されているので、熱を奪われた部分はより急激に温度が下がり易い。このようなことから、定着ローラの軸方向の幅に比べて、幅の小さい記録紙を連続で通紙した場合、記録紙幅の部分の温度が下がってしまい易く、その部分の温度を所定の温度に保つために、定着ローラ全体に熱を与えると、記録紙幅より外側（非通紙部分）における定着ローラの温度がその所定の温度以上に昇温してしまう、いわゆる非通紙部過昇温が生じかねない。殊に、薄肉ローラは、従来の定着ローラに比べ断面積が小さく、熱の移動が少ないので、非通紙部過昇温が、従来の定着ローラよりも高くなり、一般に問題となり易い。
【００５４】
そこで、実施の第２の形態における定着装置は、上述した構成によって、薄肉ローラを熱伝導率が４５（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上の例えばチタン銅合金で形成することで、定着装置における定着ローラとしての薄肉ローラの材料の選定において、所定の範囲内におけるあるヤング率に対して疲れ限度値が疲労破壊を生じない値以上である材料を選定する方法が確実に採れた上で、非通紙部過昇温をより効果的に抑制し、薄肉ローラの軸方向の温度均一化をより図ることが出来る。
【００５５】
本発明の実施の第７の形態は、画像形成装置に用いられる定着装置である。
【００５６】
当該定着装置は、加圧部材である加圧ローラと、加圧ローラと対向して配設された定着部材である定着ローラと、その定着ローラを加熱する加熱手段とを備えている。ここで、加圧ローラまたは定着ローラの少なくとも一が、自らに対向した部材からの圧力を自らの弾性力で受け止める薄肉ローラであり、そして、加圧ローラと定着ローラとの対向方向において、加圧がされる前の薄肉ローラの内周面間の距離をＡ、及び加圧がされたときの薄肉ローラの内周面間の距離の最小をＢとしたとき、ＡのＢに対する比Ａ／Ｂが１＜Ａ／Ｂ≦２程度となるように構成されている。
【００５７】
そして、本形態は、薄肉ローラの材料をベリリウム銅合金、またはチタン銅合金としたものである。
【００５８】
このような構成によって、薄肉ローラの材料をベリリウム銅合金、またはチタン銅合金とすることで、ベリリウム銅合金、及びチタン銅合金は、両材料ともに、ヤング率Ｅと、疲れ限度Ｚとの関係を示すＺ／Ｅ２／３の値が１３以上であり、かつ、ヤング率Ｅが、１．０×１０１１（Ｐａ）以上である、すなわち、疲れ限度値がヤング率に基づく所定値を指標とした条件の範囲内にあることから、前述したように、薄肉ローラを、所望の寿命を有し、かつ、オフセットウィンドウの広い安定した定着性を確保したものにすることが出来る。
【００５９】
また、両材料ともに、時効硬化特性を有し、時効硬化処理後の引張り強さＹが、時効硬化処理前の引張り強さの１．６倍以上であることから、前述したように、形成時にスピニング加工が必要とされる薄肉ローラを、その加工を比較的容易にさせて、入手することが出来る。
【００６０】
さらにまた、両材料ともに、ビッカース硬度Ｈｖが２５０以上であることから、前述したように、薄肉ローラの外周面の削れを低減することができ、薄肉ローラの寿命劣化を抑えることも出来る。
【００６１】
さらにまた、両材料ともに、薄肉ローラの熱伝導率が４５（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上のものであることから、前述したように、非通紙部過昇温を効果的に抑制し、薄肉ローラの軸方向の温度均一化を図ることも出来る。
【００６２】
これらのとおり、薄肉ローラを形成する材料として、ベリリウム銅合金と、チタン銅合金を用いることで、定着装置における定着ローラとしての薄肉ローラの材料の選定において、ヤング率と、疲れ限度値とを２次元的に考慮して、つまり、所定の範囲内におけるあるヤング率に対して疲れ限度値が疲労破壊を生じない値以上である材料を選定する方法が確実に採れて、上述した効果を全て得ることが出来る。
【実施例】
【００６３】
以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。
【００６４】
（実施例１）
本発明に係る実施例１は、複写機、プリンタ、ＦＡＸなどの画像形成装置に用いられて、記録紙などの記録媒体上に付着した未定着トナーを記録媒体と共に加熱、加圧することで記録媒体上にトナー像を定着する熱ローラ方式の定着装置である。
【００６５】
図１は、本発明に係る定着装置を正面から見た断面図である。
【００６６】
図１において、定着装置は、加圧部材である加圧ローラ１と、加圧ローラ１と対向する定着部材である定着ローラ４とを備えている。
【００６７】
この加圧ローラ１は、直径２０ｍｍのアルミニウム製の円柱状基材２と、この基材２の外周面全周を、その軸方向略全体に密着状態で覆う厚み７ｍｍのシリコーンスポンジゴム３と、このシリコーンスポンジゴム３の外周面全周を、その軸方向略全体に密着状態で覆う厚み３０μｍのテフロン（登録商標）チューブ（図示は省略している）とで構成されている。
【００６８】
定着ローラ４は、加圧ローラ１からの加圧力を自らの弾性力で受け止める薄肉ローラ（便宜的に定着ローラとも呼ぶ。また、薄肉ローラを含んで構成された定着ローラ４を便宜的に薄肉ローラとも呼ぶ）５で構成されている。この薄肉ローラ５は、ベリリウム銅合金や、チタン銅合金などのバネ性を有する金属からなり、加圧力により弾性変形して、その断面が円形状から、加圧ローラ１と定着ローラ４の対向部分の反対側が略円弧状となり、対向部分が略水平上の形状をもつようになる。
【００６９】
本実施例では、薄肉ローラ５は、外径３４ｍｍ、肉厚０．２ｍｍのベリリウム銅合金を用いている。この本実施例における薄肉ローラ５に用いたベリリウム銅合金は、時効硬化特性を有しており、時効硬化処理後の引張り強さＹが１．２×１０９（Ｐａ）で、時効硬化処理前の引張り強さが５．５×１０８（Ｐａ）である。
【００７０】
ここで、一般的に引張り強さＹと疲れ限度Ｚは比例しており、引張り強さＹが１．２×１０９（Ｐａ）のような大きい材料は、疲れ限度Ｚも大きいので、後述するように、定着装置における定着ローラとしての薄肉ローラの材料の選定において、疲労破壊しにくい薄肉ローラの材料として、その選定の候補となる。しかし、引張り強さＹがその程度に大きい材料はスピニング加工によって成形するのが一般的に困難であった。ところが、時効硬化特性を有した材料では、時効硬化処理前の引張り強さが５．５×１０８（Ｐａ）程度であるならば、スピニング加工による加工が比較的容易である。ベリリウム銅合金では、時効硬化前と後とで、引張り強さに、前述した値から分かるように約２．２倍の変化があり、時効硬化処理前に加工し、その加工後に時効硬化処理を行えば、定着装置での使用状態において引張り強さの大きい薄肉ローラ５でも比較的容易に作成することが出来る。
【００７１】
また、チタン銅合金も時効硬化特性を有しており、時効硬化処理後の引張り強さＹが８．０×１０８（Ｐａ）で、時効硬化処理前の引張り強さが５．０×１０８（Ｐａ）である。このように、このチタン銅合金は、時効硬化前と後とで、引張り強さに１．６倍の変化があり、この程度の変化であっても、時効硬化処理前に加工し、その加工後に時効硬化処理を行えば、定着装置での使用状態において引張り強さの大きい薄肉ローラ５でも比較的容易に作成することが出来ることが確認できている。
【００７２】
さらに、薄肉ローラ５は、そのビッカース硬度Ｈｖを２５０以上としている。これは、ビッカース硬度Ｈｖ２００のＳＵＳ３０４で形成された薄肉ローラでは、薄肉ローラを自転自在に保持する支持部材と接触する薄肉ローラの外周面が削れを起こしてしまうことがあったのに対し、ビッカース硬度Ｈｖ２５０のコルソン合金で形成された薄肉ローラでは、支持部材と接触する薄肉ローラの外周面の削れが低減されて良好であったことによる。そして、本実施例におけるベリリウム銅合金のビッカース硬度Ｈｖは４００である。
【００７３】
定着ローラ４は、さらに、この薄肉ローラ５における両端部を除く外周面全周に、ゴム層６が形成されている。このゴム層６は、本実施例では、厚み２００μｍのシリコーンゴムからなり、このゴム層６の外周面は、さらに、その軸方向略全体に厚み３０μｍのテフロン（登録商標）チューブ７で密着状態にされて覆われている（これらゴム層６およびテフロン（登録商標）チューブ７は厚みが非常に小さいので、定着ローラ４を記載した図面のうち図１以外の図面では記載を省略している）。
【００７４】
薄肉ローラ５の内部には、記録媒体上の未定着トナーを記録媒体と共に加熱するために定着ローラ４を加熱する加熱手段としてのハロゲンランプ１０が配設されており、このハロゲンランプ１０により、定着ローラ４が約１７０℃に加熱されるようになっている。なお、このような加熱手段は、ハロゲンランプ１０に限らず、他のランプであってもよく、電磁誘導を用いるものであってもよい。また、ランプを用いる場合においては、そのランプを定着ローラ４の外側に設けるようにしてもよい。
【００７５】
定着ローラ４の両端部には、それぞれ、その対応した位置に、定着ローラ４を自転自在に保持する薄肉ローラ支持部材１１が配設されている。薄肉ローラ支持部材１１は、内径が４３ｍｍの樹脂製のものからなっている。この薄肉ローラ支持部材１１としては、耐熱性が良好なベークライトやＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）がこの好ましい。
【００７６】
なお、本実施例では、定着ローラ４の外周面における薄肉ローラ支持部材１１に対する（当接する）部分には、ゴム層６が形成されておらず、薄肉ローラ５が薄肉ローラ支持部材１１の内側部分（内周面）に直接当接するようにしたが、定着ローラ４がその中心軸回りに回転可能に保持されるのであれば、薄肉ローラ支持部材１１に対する（当接する）部分にもゴム層６を形成するようにしてもよい。ただし、ゴム層６がない方が、ゴムの劣化などを考慮する必要がなく、定着ローラ４の外周面と薄肉ローラ支持部材１１の内側（内周面）との間に安定した接触が維持される。
【００７７】
薄肉ローラ支持部材１１の一端部（図１の向かって左側端部）には、連結軸１２ａを介して不図示のモータなどによって回転駆動される駆動ギア１２と噛み合う従動ギア１３が結合されており、これら駆動ギア１２および従動ギア１３により、薄肉ローラ支持部材１１がそのローラ軸Ｘ２回りに回転駆動されるようになっている。それゆえ、定着ローラ４は、その外周面が、薄肉ローラ支持部材１１の内周面と、定着ローラ４の外周面における加圧ローラ１と対向した側とは反対の側にて当接しているので、その当接部分での摩擦力で、薄肉ローラ支持部材１１の回転駆動により、定着ローラ４も従動回転（自転）する。
【００７８】
次に、以上のように構成された本定着装置の定着ローラ４周りをさらに詳しく説明する。
【００７９】
図２は、本定着装置をローラ長さ方向から見た断面図である。
【００８０】
図１及び図２に示すように、薄肉ローラ５は、加圧ローラによって加圧されたとき、薄肉ローラ５の外周面における加圧ローラ４と対向した側とは反対の側の一部分が、薄肉ローラ支持部材１１の内周面の一部分で覆われるようにされて、両者の摩擦力で駆動されるものとしている。
【００８１】
ここで、薄肉ローラ５の両端部の外周面は、薄肉ローラ５が薄肉ローラ支持部材１１より硬い材料で形成されていても、一般にその当接部分が削れてしまいかねないが、我々は、薄肉ローラ５のビッカース硬度Ｈｖが２５０以上であれば、薄肉ローラ５は、定着ローラとしての使用に十分な硬さが確保でき、薄肉ローラ５の両端部の外周面の削れが抑えられて、薄肉ローラ５の長寿命化を図ることが出来ることを実験的に確認した。そこで、本実施例では、前述したとおり、薄肉ローラ５の材料をベリリウム銅合金とすることでビッカース硬度Ｈｖを２５０以上の４００としている。薄肉ローラ５の材料をチタン銅合金とすることでもビッカース硬度Ｈｖを２５０以上の３００とすることができる。
【００８２】
なお、薄肉ローラ５を、本実施例では薄肉ローラ支持部材１１で駆動する構成としているが、加圧ローラ１で駆動する構成の場合でも、薄肉ローラ支持部材１１で駆動するときほどではないが、同様の効果を得られる。
【００８３】
図２に示すように、加圧ローラ１は、略水平方向に延びる押付け部材８により、定着ローラ４へ押し付けられるようになっている。すなわち、基材２の小径にされた両端部２ａが、両端部２ａにそれぞれ対応して設けた押付け部材８の長さ方向中間部に形成した勘合孔８ａにそれぞれ回転自在に勘合されており、この各押付け部材８の一端部は回転軸８ｂ回りに回転自在に支持され、他端部は、引張りコイルスプリング９により、定着ローラ４側へ付勢されている。したがって、押付け部材８は、回転軸８ｂを中心に、図に向かって反時計回りに回動しようとするので、加圧ローラ１が上側に移動しようとして定着ローラ４を径方向に所定の加圧力で加圧することになる。
【００８４】
ここで、図示したように、薄肉ローラ５が加圧ローラ１によって加圧される前の薄肉ローラ５と加圧ローラ１の対向方向の長さをＡとし、加圧された後の薄肉ローラ５と加圧ローラ１の対向方向の最小長さをＢとしたとき、Ａ／Ｂが１より大きい場合において、薄肉ローラ５がつぶれることにより、軸方向に均一な圧接力を得るという方式が成り立つ。しかし、Ａ／Ｂが２程度以上の場合においては、薄肉ローラ５がつぶれすぎて、未定着トナーを記録媒体に十分に圧接するための圧接力をかけることが出来ない。そこで、加圧力は、１＜Ａ／Ｂ≦２程度となって、かつ、後述するニップ幅が定着装置として適当な長さとなるものでなければならない。本実施例では、この加圧力は、約３００（Ｎ）としている。
【００８５】
加圧ローラ１は、基材２の両端部２ａが両押付け部材８の勘合部８ａにそれぞれ回転自在に勘合していることから、定着ローラ４を押付けた状態で、加圧ローラ１のローラ軸Ｘ１（基材２の中心軸）回りに回転可能となっている。
【００８６】
２つの薄肉ローラ支持部材１１は、それぞれの中心軸が一の線上にありかつ定着ローラ４のローラ軸Ｘ２と平行である。そして、薄肉ローラ支持部材１１は、定着ローラ４の軸方向から見て、定着ローラ４（薄肉ローラ５）の外周線（つまり外周面）における加圧ローラ１が位置した側とは反対の側の部分（図における上側の部分）の一部（弧）に沿った略円弧状をなす面を有し、その面で、前記反対の側の部分を覆って、定着ローラ４をそのローラ軸Ｘ２（弾性変形した薄肉ローラ１２の中心軸）回りに回転自在として保持する。すなわち、この薄肉ローラ支持部１１の内側半径は、弾性変形前の薄肉ローラ５の半径よりも大きくされている。そして、定着ローラ４が加圧ローラ１により、下側から上方へ加圧されると、図示したように、薄肉ローラ５の上側の部分が薄肉ローラ支持部材１１の内側部分（内周面）に略沿うようになる。
【００８７】
加圧ローラ１は、この定着ローラ４のゴム層６が形成された部分に対して加圧するようになっており、回転駆動される定着ローラ４のゴム層６が形成された部分と加圧ローラ１との間（ニップ）に記録媒体を挟持できる。そして、定着ローラ４が回転駆動されると、加圧ローラ１は、その定着ローラ４に直接またはニップ部に侠持された記録媒体を介して駆動されて加圧ローラ１のローラ軸Ｘ１回りに従動回転し、その記録媒体を搬送することになる。ここで、本実施例では、記録媒体搬送速度が約１００ｍｍ／ｓとなるように、定着ローラ４の回転速度を約０．９４回転／ｓとしている。
【００８８】
なお、本実施例では、薄肉ローラ支持部材１１を回転駆動するようにしたが、これに代えて、加圧ローラ１をその中心軸Ｘ１回りに回転駆動することで、定着ローラ４を、その加圧ローラ１に直接またはニップ部の記録媒体を介して駆動して定着ローラ４のローラ軸Ｘ２回りに従動回転させるようにしてもよい。
【００８９】
次に、本定着装置に使用されている薄肉ローラの選定について説明する。
【００９０】
図３は、薄肉ローラの状態を説明するための、定着装置をローラ軸長さ方向から見た断面模式図である。
【００９１】
図３に示すように、薄肉ローラ５が、加圧ローラ１に押し付けられたときにおいて、薄肉ローラ５と、加圧ローラ１とが当接した箇所に、略水平方向に略円弧状のニップ１４が形成されている。このとき、ニップ１４が形成された区間の長さであるニップ幅はｎ（ｍｍ）である。また、加圧ローラ１には、図２の押付け部材８にかけられた力をＦ（Ｎ）としたとき、その力と同じ圧力の加圧力Ｆ（Ｎ）が生じており、薄肉ローラ５には、薄肉ローラ５と加圧ローラ１との互いの対向方向に、加圧ローラ１で押し付けられた加圧力Ｆ（Ｎ）に比例した圧接力Ｐ（Ｐａ）がかかっている。
【００９２】
定着装置は、そのようなニップ１４が形成された状態において、このニップ１４に、記録媒体上の未定着トナーをその記録媒体と共に通過させ、その記録媒体上にトナーで形成された画像（トナー像と呼ぶ）を定着させる。このとき、記録媒体上にトナー像をオフセットなく定着させるためには、未定着トナーに十分な熱を加えるためのニップ幅ｎと、未定着トナーを記録媒体に十分に圧接するための圧接力Ｐとの両方が必須となる。そこで、ニップ幅ｎと圧接力Ｐとは、定着装置の設計において、トナー像をオフセットなく定着させるための要件として、すなわち設計仕様として定めることになる。
【００９３】
ところで、本実施例は、図３に示すように、薄肉ローラ５が、薄肉ローラ５と加圧ローラ１との互いの対向方向につぶれることにより、ニップ幅ｎが広く取れる構成である。このような構成においては、薄肉ローラ５の加圧部材１との対向方向におけるつぶれ量ｖ（ｍｍ）が大きくなると、ニップ幅ｎは広く取れるという相関がある。そのようなことから、記録媒体上にトナー像をオフセットなく定着させるための最低限必須のニップ幅ｎと、圧接力Ｐとを決定することで、最低限必須の薄肉ローラ５のつぶれ量ｖと、加圧ローラ１を薄肉ローラ５に加圧させる加圧力Ｆとを定めることが可能となる。
【００９４】
ただ、薄肉ローラ５のつぶれにより、薄肉ローラ５の表層の変形部分に応力σ（Ｐａ）が生じ、その変形部に生じる応力σが、薄肉ローラ５の疲れ限度値Ｚ（Ｐａ）より大きいときに、薄肉ローラ５が疲労破壊を生じてしまう。逆に、変形部に生じる応力σと、疲れ限度値Ｚとを求め、それらを適切な関係にすることで、疲労破壊しない薄肉ローラ５を得ることが出来る。
【００９５】
そこで、疲労破壊しない薄肉ローラ５を得るために、まず初めに、薄肉ローラ５を形成する材料のヤング率Ｅ（Ｐａ）と、疲れ限度値Ｚ（Ｐａ）とを準備する。
【００９６】
次に、準備したヤング率Ｅ（Ｐａ）を元に、定着装置における薄肉ローラのつぶれ量ｖを求める。ここで、薄肉ローラ５の肉厚をｔ（ｍｍ）としたとき、つぶれ量ｖは、加圧力Ｆと、ヤング率Ｅと、肉厚ｔとの関係により求めることができ、その関係式は（数１）に示すとおりである。
【００９７】
【数１】
2008233749.tif 000003
【００９８】
続いて、準備したヤング率Ｅ（Ｐａ）を元に、求めたつぶれ量ｖから、定着装置において薄肉ローラの変形部に生じる応力σを求める。ここで、つぶれ量ｖと、ヤング率Ｅと、肉厚ｔとの関係により、変形部に生じる応力σを求めることができ、その関係式は（数２）に示すとおりである。
【００９９】
【数２】
2008233749.tif 000004
【０１００】
そして、（数１）と（数２）とから、変形部に生じる応力σは、加圧力Ｆと、つぶれ量ｖと、ヤング率Ｅとの関係によって表すことができ、その関係式は（数３）に示すとおりである。
【０１０１】
【数３】
2008233749.tif 000005
【０１０２】
ところで、変形部に生じる応力σが疲れ限度値Ｚより小さいことが、疲労破壊が生じない条件なので、（数３）で求められる変形部に生じる応力σと、疲れ限度値Ｚとの比をとると、その比は（数４）に示すとおりとなる。
【０１０３】
【数４】
2008233749.tif 000006
【０１０４】
（数４）において、つぶれ量ｖと、加圧力Ｆとは、前述のとおり、記録媒体上にトナー像をオフセットなく定着させるための要件、すなわち定着装置の設計仕様から、ニップ幅ｎと圧接力Ｐとが決定されて、最低限必須の値として定まるので、変形部に生じる応力σと疲れ限度値Ｚとの比は、疲れ限度値ＺのＥ２／３に対する比Ｚ／Ｅ２／３に比例したものとなる。
【０１０５】
以上のようなことから、変形部に生じる応力σと疲れ限度値Ｚとの比で表わされる疲労破壊の発生の有無は、疲れ限度値ＺのＥ２／３に対する比Ｚ／Ｅ２／３、つまり、ヤング率Ｅと疲れ限度値Ｚとによって知ることができる。
【０１０６】
すなわち、定着装置における定着ローラとしての薄肉ローラの材料の選定において、ヤング率Ｅと疲れ限度値Ｚとを２次元的に、つまり共に考慮することで、疲労破壊が生じない薄肉ローラ５を形成するための材料を選定することが可能となる。そして、疲れ限度値Ｚがヤング率Ｅに基づく所定の値よりも大きな材料を選定することで、疲労破壊が生じない薄肉ローラ５を得ることが出来る。
【０１０７】
次に、以上述べたことを具体的に代表的な材料について述べる。
【０１０８】
（表１）は、代表的な材料について、ヤング率Ｅ、疲れ限度値Ｚ、（数４）に示した値であって疲れ限度値ＺのＥ２／３に対する比Ｚ／Ｅ２／３、熱伝導率、ビッカース硬度Ｈｖ、及び引張り強さＹを示す。また、表中（左欄）における丸印は、形成された薄肉ローラ（５）が、ニップ幅ｎと圧接力Ｐとを十分確保した状態で長期間使用されても、疲労破壊を生じなかったことを示す。
【０１０９】
【表１】
2008233749.tif 000007
【０１１０】
（表１）において、例えば、本実施例で用いたベリリウム銅合金（符号１１）、並びにチタン銅合金（符号１２）及びコルソン合金（符号１０）については、ベリリウム銅合金のヤング率Ｅが１．３×１０１１（Ｐａ）、疲れ限度値Ｚが４．０×１０８（Ｐａ）、Ｚ／Ｅ２／３の値が１５．６であり、チタン銅合金のヤング率Ｅが１．２７×１０１１（Ｐａ）、疲れ限度値Ｚが４．０×１０８（Ｐａ）、Ｚ／Ｅ２／３の値が１５．８であり、コルソン合金のヤング率Ｅが１．２５×１０１１（Ｐａ）、疲れ限度値Ｚが３．５×１０８（Ｐａ）、Ｚ／Ｅ２／３の値が１４．０である。また、機械構造用中炭素綱（Ｓ４５Ｃ）（符号９）は、疲れ限度値Ｚが３．７×１０８（Ｐａ）、ヤング率Ｅが２．０５×１０１１（Ｐａ）、Ｚ／Ｅ２／３の値が１０．６である。また、洋白（Ｃ７５１２）（符号３）は、ヤング率Ｅが１．２×１０１１（Ｐａ）、疲れ限度値Ｚが２．０×１０８（Ｐａ）、Ｚ／Ｅ２／３の値が８．２である。
【０１１１】
図４は、（表１）に掲げた代表的な材料についてのヤング率Ｅと、疲れ限度値Ｚとの関係をプロットした点によって示している。ここで、図中の各点に付した（１）〜（１２）の符号（番号）は、材料を示すためのものであり、（表１）における各材料に付した１〜１２の符号（番号）と対応している。
【０１１２】
図４におけるプロットされた点の並びの傾向から、一般に、疲れ限度値Ｚが大きい材料は、ヤング率Ｅも大きい材料であることが分かる。ここで、前述したように、疲労破壊を生じさせないために疲れ限度値が大きい材料を選択しなければならないが、ヤング率がある程度以上に大きいと薄肉ローラは疲労破壊を生じてしまう。ところが、図４から、疲れ限度値が大きい材料はヤング率も大きな材料であることが多いことが分かり、これによって、疲れ限度値Ｚが大きい材料を選定するだけでは薄肉ローラの疲労破壊を招かずにその長寿命化を図ることが出来ないことが裏付けられる。
【０１１３】
図５は、（表１）に掲げた代表的な材料についての、疲れ限度値ＺのＥ２／３に対する比Ｚ／Ｅ２／３とヤング率Ｅとの関係をプロットした点によって示している。ここで、図中の各点に付した（１）〜（１２）の符号（番号）は、材料を示すためのものであり、（表１）における各材料に付した１〜１２の符号（番号）と対応している。  疲れ限度値Ｚとヤング率Ｅとの関係を図５のように表すことにより、各材料について、その図５におけるプロット位置を、薄肉ローラを形成する材料として用いることが出来るかどうかの指標にすることが可能である。
【０１１４】
すなわち、図５において、例えば、本実施例で用いたベリリウム銅合金（符号１１）、並びにチタン銅合金（符号１２）及びコルソン合金（符号１０）については、それぞれのＺ／Ｅ２／３の値が前述したとおり１３以上であり、図中の線１５（Ｚ／Ｅ２／３の値が１３であることを表わす）を含んでその線より上の範囲にプロットされている。一方、機械構造用中炭素綱（Ｓ４５Ｃ）（符号９）や洋白（Ｃ７５１２）（符号３）は、それぞれのＺ／Ｅ２／３の値が前述したとおり１３未満であり、図中の線Ｃより下の範囲にプロットされている。
【０１１５】
そして、我々は、（数４）で示されているＺ／Ｅ２／３の値が１３以上（図中における線１５を含んでその線より上の範囲）の材料で薄肉ローラ５を形成すると、記録媒体上にトナー像をオフセットなく定着させるためのニップ幅ｎと、圧接力Ｐとを十分確保した状態で長期間使用しても、薄肉ローラ５は疲労破壊を生じないことを実験的に確認した。
【０１１６】
具体的には、本実施例で用いたベリリウム銅合金、並びにチタン銅合金及びコルソン合金については、（表１）に掲げたように、ベリリウム銅合金のヤング率Ｅが１．３×１０１１（Ｐａ）、疲れ限度値Ｚが４．０×１０８（Ｐａ）、Ｚ／Ｅ２／３の値が１５．６であり、チタン銅合金のヤング率Ｅが１．２７×１０１１（Ｐａ）、疲れ限度値Ｚが４．０×１０８（Ｐａ）、Ｚ／Ｅ２／３の値が１５．８であり、コルソン合金のヤング率Ｅが１．２５×１０１１（Ｐａ）、疲れ限度値Ｚが３．５×１０８（Ｐａ）、Ｚ／Ｅ２／３の値が１４．０である。そして、これらのいずれの材料についても、形成された薄肉ローラ（５）は、ニップ幅ｎと、圧接力Ｐとを十分確保した状態で長期間使用しても、疲労破壊を生じなかった（表中において、これらの材料に対しては丸印を付してそのことを示している）。
【０１１７】
一方、機械構造用中炭素綱（Ｓ４５Ｃ）（符号９）は、（表１）に掲げたように、疲れ限度値Ｚが３．７×１０８（Ｐａ）と上に記載した材料とほぼ同じ値であるが、ヤング率Ｅが２．０５×１０１１（Ｐａ）であり、Ｚ／Ｅ２／３の値が１０．６である。そして、この材料で形成された薄肉ローラは、ニップ幅ｎと、圧接力Ｐとを十分確保した状態で長期間使用すると、疲労破壊を生じてしまった。
【０１１８】
このようなことから、疲れ限度値Ｚが適当な値である材料であっても、Ｚ／Ｅ２／３の値が１３未満の材料は、定着装置における薄肉ローラとして所望の寿命を得ることが出来る好適なものではないということが言える。
【０１１９】
また、洋白（Ｃ７５１２）（符号３）は、（表１）に掲げたように、ヤング率Ｅが１．２×１０１１（Ｐａ）と上に記載した疲労破壊を生じなかったベリリウム銅合金などの材料とほぼ同じ値であるが、疲れ限度値Ｚが２．０×１０８（Ｐａ）であり、Ｚ／Ｅ２／３の値が８．２である。この材料で形成された薄肉ローラも、ニップ幅ｎと、圧接力Ｐとを十分確保した状態で長期間使用すると、疲労破壊を生じてしまった。
【０１２０】
これらのことから、定着装置における薄肉ローラとして所望の寿命を得ることが出来る材料の選定は、ヤング率Ｅだけを指標とした材料の選定では正しく行えず、そして、Ｚ／Ｅ２／３の値が１３以上であることを少なくとも一の指標とすることによって正しく行い得るということが言える。
【０１２１】
ところで、良好で安定した定着性を確保するためには、オフセットウィンドウの広い定着性を確保する必要がある。ここで、記録媒体上にトナー像をオフセットなく定着させるためには、未定着トナーに十分な熱を加えるためのニップ幅ｎと、未定着トナーを記録媒体に十分に圧接するための圧接力Ｐとの両方が必須となるが、薄肉ローラ５をヤング率Ｅが小さい材料で形成すると、薄肉ローラ５が加圧ローラ１によって加圧されたときに、薄肉ローラ５のつぶれ量ｖが大きくなり、十分な圧接力Ｐを得ることが出来ない。そこで、十分な圧接力Ｐを確保するために、薄肉ローラ５がつぶれすぎないヤング率Ｅを選定する必要がある。
【０１２２】
そして、我々は、種々の実験を行って、ヤング率Ｅが、１．０×１０１１（Ｐａ）以上の範囲（図中における線１６を含んで図に向かってその線より右の範囲）であれば、オフセットウィンドウの広い安定した定着性を確保することが出来ることを確認した。
【０１２３】
具体的には、本実施例で用いたベリリウム銅合金、並びにチタン銅合金及びコルソン合金について、ヤング率Ｅは、（表１）に掲げたように、ベリリウム銅合金が１．３×１０１１（Ｐａ）であり、チタン銅合金が１．２７×１０１１（Ｐａ）であり、コルソン合金が１．２５×１０１１（Ｐａ）である。そして、これらのいずれの材料についても、形成された薄肉ローラ（５）は、オフセットウィンドウの広い安定した定着性を確保したものであった。
【０１２４】
以上述べたことから、定着装置における薄肉ローラとして所望の寿命を得ることが出来る材料の選定は、オフセットウィンドウの広い安定した定着性を確保させるためにヤング率Ｅが１．０×１０１１（Ｐａ）以上であること、及び、疲れ限度値Ｚが適当な値であっても疲労破壊しないものとさせるためにＺ／Ｅ２／３の値が１３以上であることを指標とすることによって正しく行えるということが言え、従って、ヤング率Ｅの値とＺ／Ｅ２／３の値との関係を表わした（表５）におけるプロット位置が領域１７の範囲にあることを指標として行えることが言える。
【０１２５】
このように、定着ローラとして安定した定着性が確保できる所定の範囲内におけるあるヤング率Ｅに対して疲れ限度値Ｚが疲労破壊を生じない値以上である材料を選定することで、疲労破壊が生じない薄肉ローラ５を得ることが出来る。
【０１２６】
なお、疲れ限度値Ｚは、引張り強さＹ（Ｐａ）と比例関係があるので、ヤング率Ｅと、引張り強さＹとを２次元的に考えて、薄肉ローラ５が疲労破壊を生じない材料を選定することも可能である。
【０１２７】
また、本実施例では、薄肉ローラは、定着部材である定着ローラとして用いられているが、薄肉ローラを加圧部材である加圧ローラに用いてもよいし、さらには、定着ローラ、加圧ローラ共に薄肉ローラであってもよい。
【０１２８】
また、定着部材が薄肉ローラであるとき、加圧部材は回転しなくてもよく、定着部材と加圧部材の間にベルトを設けてもよい。
【０１２９】
また、加圧ローラを薄肉ローラで構成する場合は、加圧ローラの内部にもハロゲンランプなどの加熱手段を設けるようにしてもよい。
【０１３０】
（実施例２）
本発明に係る実施例２は、実施例１と同様の定着装置であって、定着部材である定着ローラ４が、チタン銅合金で形成された薄肉ローラ５で構成されたものである。それ以外の構成については、実施例１の定着装置と同じであり、実施例１における図１〜図５及び説明を援用する。
【０１３１】
図１、図２及び図３において、定着ローラ４は、熱伝導率が４５（Ｗ／ｍ・Ｋ）のチタン銅合金で形成された薄肉ローラ５からなっていて、薄肉ローラ５が加圧ローラ１に押し付けられたときに、当接部分の略水平方向にニップ１４が形成され、そのニップ１４に、記録媒体上の未定着トナーを記録媒体と共に通過させる。そして、定着ローラ４は、記録媒体が通過する部分の温度が１７０℃になるように加熱されるものとしており、記録媒体上の未定着トナーと、記録媒体とに熱を伝え、それにより未定着トナーを記録媒体に定着させる。
【０１３２】
このような構成によって、薄肉ローラ５に、熱伝導率が４５（Ｗ／ｍ・Ｋ）の材料であるチタン銅合金を用いることで、幅の小さい記録媒体を連続で通した後に、幅の広い記録媒体を通すときにも待機させることなく記録媒体を通すことができることを実験的に確認している。
【０１３３】
すなわち、薄肉ローラ５で構成された定着ローラ４は、一般に、低熱容量化されているので、記録媒体が通過した部分の温度の下がり方が、加圧ローラ１に比べて大きい。それゆえ、定着ローラ４の軸方向の幅に比べて、幅の小さい記録媒体を連続で通した場合、記録媒体が通過した部分と、記録媒体が通過していない部分との定着ローラ４の温度の差が加圧ローラ１より大きくなりやすい。そして、記録媒体が通過する部分の温度を所定の１７０℃になるように加熱する方法を採った場合、定着ローラ４の記録媒体が通過した部分は１７０℃を維持するが、記録媒体が通過せず、温度が下がっていない外側部分も同時に加熱されるので、その部分の温度が過剰に昇温してしまい、引き続いて幅の広い記録媒体を通そうとするとき、過剰に昇温した部分の温度が１７０℃近くに下がるまで待機しなければならないという問題が生じかねない。
【０１３４】
そして、具体的には、定着ローラとして熱伝導率１６（Ｗ／ｍ・Ｋ）のＳＵＳ３０４で形成された薄肉ローラでは、薄肉ローラの軸方向の幅に比べて幅の小さい記録紙が連続で通紙されたときに、薄肉ローラの非通紙部分における温度がその所定の温度以上に昇温してしまったのに対し、熱伝導率４５（Ｗ／ｍ・Ｋ）のチタン銅合金で形成された薄肉ローラでは、非通紙部分における過昇温が低減されて良好であった。
【０１３５】
そこで、我々は、薄肉ローラ５は、熱伝導率が４５（Ｗ／ｍ・Ｋ）の以上の、熱伝導率の大きい材料を用いることで、幅の小さい記録媒体を通して、記録媒体が通過しない部分の温度が高くなったときでも、記録媒体が通過する温度が低い部分へ、効率的に熱を移動させることが出来るものとしている。その結果、定着装置は、幅の小さい記録媒体を連続で通した後に、幅の広い記録媒体を通すときにも待機させることなく記録媒体を通すことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３６】
本発明にかかる方法は、加圧力を弾性力で受ける薄肉ローラを備えた定着装置における薄肉ローラを形成する材料選定方法として有用であり、そのような薄肉ローラを備えた定着装置は複写機、プリンタ、ＦＡＸ等の画像形成装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１３７】
【図１】本発明に係る定着装置を正面から見た断面図
【図２】本発明に係る定着装置をローラ軸長さ方向から見た断面図
【図３】薄肉ローラの状態を説明するための、本発明に係る定着装置をローラ軸長さ方向から見た断面模式図
【図４】各種材料のヤング率Ｅと疲れ限度値Ｚとの関係を示す図
【図５】各種材料についてヤング率と疲れ限度値との本発明に係る関係を示す図
【符号の説明】
【０１３８】
１    加圧ローラ
４    定着ローラ
５    薄肉ローラ
１０    ハロゲンランプ
１１    薄肉ローラ支持部材
【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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