(57)【要約】【課題】外部加熱により定着ローラの加熱が行われる定着装置において、定着ローラの温度ムラが有効に防止された定着装置を提供する。【解決手段】所定のニップ幅で互いに対向して設けられた定着ローラと加圧ローラとのローラ対を有し、且つ該定着ローラに接触して熱ローラが設けられており、定着ローラと加圧ローラとのニップ域にトナー像が表面に転写された転写材を通過させることにより、該トナー像を転写材表面に定着させる定着装置において、前記定着ローラは、含フッ素樹脂層を表面に有し、且つ該含フッ素樹脂層が金属乃至合金層もしくは非発泡のゴム層を介してスポンジ層上に形成されているものであることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のニップ幅で互いに対向して設けられた定着ローラと加圧ローラとのローラ対を有し、且つ該定着ローラに接触して熱ローラが設けられており、定着ローラと加圧ローラとのニップ域にトナー像が表面に転写された転写材を通過させることにより、該トナー像を転写材表面に定着させる定着装置において、
前記定着ローラは、含フッ素樹脂層を表面に有し、且つ該含フッ素樹脂層が金属乃至合金層もしくは非発泡のゴム層を介してスポンジ層上に形成されているものであることを特徴とする定着装置。
【請求項２】
前記含フッ素樹脂層は、５乃至１００μｍの厚みを有している請求項１に記載の定着装置。
【請求項３】
前記含フッ素樹脂層は、厚みが１乃至５０μｍの金属乃至合金層を介して形成されている請求項１または２に記載の定着装置。
【請求項４】
前記含フッ素樹脂層は、厚みが０．１乃至１ｍｍの非発泡のゴム層を介して形成されている請求項１または２に記載の定着装置。
【請求項５】
前記スポンジ層はシリコンゴムの発泡体により形成されている請求項１乃至４の何れかに記載の定着装置。
【請求項６】
フルカラー画像形成装置に使用される請求項１乃至６の何れかに記載の定着装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複写機、ファクシミリ、プリンターなどの電子写真による画像形成装置に使用される定着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真による画像形成装置においては、概説すると、以下のようにして画像形成が行われる。
即ち、感光体を所定極性に一様に主帯電し、所定の画像情報に基づいての光照射により画像露光して静電潜像を形成する。次いで、現像剤を感光体表面に供給して静電潜像を現像して感光体表面にトナー像を形成し、このトナー像を、転写ローラや転写用のコロナ帯電器を用いて所定の用紙（転写材）に転写する。トナー像が転写された転写紙は、定着装置に導入され、熱、圧力により、トナー像が転写紙表面に定着される。一方、転写終了後においては、感光体表面に残存するトナーがクリーニングされ、さらに必要により除電が行われ、これにより、画像形成行程の１サイクルが完了し、次の画像形成が行われる。
【０００３】
上記のような画像形成装置に用いられる定着装置は、所定のニップ幅で互いに対向して設けられている定着ローラと加圧ローラとのローラ対から成っており、定着ローラを所定の定着温度に加熱した状態で、このローラ対のニップ域にトナー像が形成された転写材を通過させることにより、トナー像を加熱された定着ローラで転写材表面に圧着させて、トナー像の定着を行う構造となっている。
【０００４】
上記のような定着装置において、定着ローラの加熱手段として、内部加熱による方法が知られている。具体的には、定着ローラの内部にハロゲンランプ等の熱源を設け、内部からの伝熱により、定着ローラ表面を所定の定着温度まで上昇させるというものである。
しかしながら、内部加熱による場合には、定着ローラ表面が所定の定着温度に到達するまでの時間が長いという問題がある。即ち、トナー像の定着を均一に且つ確実に行うために、定着ローラと加圧ローラとの間に十分なニップ幅を確保し、且つ定着ローラとトナー像が形成されている転写材表面との間に十分な接触面積を確保する必要がある。このため、定着ローラとしては、一般に金属円筒の外周にゴム層を施したローラが使用され、且つその表面には、トナー付着を防止するためにトナー離型性に優れた含フッ素樹脂の層が形成されている。従って、内部加熱では、定着ローラ表面までの伝熱に時間がかかり、例えば画像形成装置に電源を入れてから所定の定着温度に到達するまでのウォームアップ時間に数分間もの長時間を要するという不都合を生じてしまうのである。
【０００５】
このような内部加熱による不都合を回避するために、定着ローラとは別個に過熱ローラを設け、この加熱ローラを定着ローラに接触させて定着ローラの加熱を行う、所謂外部加熱による方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開１９９９−２４４６１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に開示されているような外部加熱によると、加熱ローラとして熱容量の小さい剛性の金属ローラ等を使用することができるため、迅速に定着ローラ表面を所定の定着温度まで加熱することができ、ウォームアップ時間を著しく短縮することができる。
【０００８】
しかしながら、上記のような外部加熱による場合、定着ローラ表面に温度ムラを生じるという新たな問題を生じることが判った。
即ち、外部加熱では、効率よく加熱を行うために、定着ローラと加熱ローラとの間にも十分なニップ幅を確保する必要があり、このため、定着ローラとしては表層に含フッ素樹脂層が形成されたスポンジローラを用いることとなる。しかるに、このようなスポンジローラは、その表面こそ熱容量が均一な含フッ素樹脂層で形成されているが、その下層のスポンジ層は、ゴムをマトリックスとし、その内部にセル（空隙部）が分散した構造を有しているため、熱容量が不均一なものとなっている。この結果、定着ローラ表面から内部への伝熱が不均一となり、定着ローラ表面に温度ムラを生じてしまうのである。このような温度ムラを生じると、定着に際してトナーの溶融にバラつきを生じ、定着画像にスポンジのセルに対応して濃度ムラが発生してしまう。このようなムラは、通常のモノクロ画像ではあまり目立たないが、フルカラー画像では、各色のトナー像を重ね合わせて定着が行われるため、色ムラとなって現れ、フルカラー画像の商品価値が著しく損なわれてしまう。
【０００９】
上述したような温度ムラを防止するためには、熱容量が均一である表層の含フッ素樹脂層の厚みを厚くすることが考えられるが、この場合には、定着ローラ自体の硬度が高くなってしまい、加圧ローラや加熱ローラとの間に十分なニップ幅を確保することが困難となってしまい、結局、定着が不均一となったり、加熱効率が低下したりしてしまう。この場合、十分なニップ幅を確保するためには、定着ローラに対する加圧力を高めなければならない。しかしながら、加圧力を高めるとローラの撓みが大きくなってしまう。例えば加熱ローラは、早く昇温させるため、可及的に肉厚が薄くされているため、加圧力を高めることにより撓みがかなり大きくなり、中央部分と両端部との間でニップ幅に差が生じてしまい、定着ローラ表面への伝熱が不均一となってしまい、結局、定着ローラ表面の温度を均一にすることが困難となってしまう。
【００１０】
従って、本発明の目的は、外部加熱により定着ローラの加熱が行われる定着装置において、定着ローラの温度ムラが有効に防止された定着装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、所定のニップ幅で互いに対向して設けられた定着ローラと加圧ローラとのローラ対を有し、且つ該定着ローラに接触して熱ローラが設けられており、定着ローラと加圧ローラとのニップ域にトナー像が表面に転写された転写材を通過させることにより、該トナー像を転写材表面に定着させる定着装置において、
前記定着ローラは、含フッ素樹脂層を表面に有し、且つ該含フッ素樹脂層が金属乃至合金層もしくは非発泡のゴム層を介してスポンジ層上に形成されているものであることを特徴とする定着装置が提供される。
【００１２】
本発明においては、定着ローラとしてスポンジローラを使用するが、表面の含フッ素樹脂層が、金属乃至合金層或いは非発泡のゴム層を介してスポンジ層上に形成されていることが重要な特徴である。
即ち、金属乃至合金層は、熱伝導性が極めて高く、層厚を薄くすることより必要な熱容量が得られる。従って、表層にある含フッ素樹脂層の下層に金属乃至合金層が形成されていると、含フッ素樹脂層からの内部（金属乃至合金層）への伝熱は、スポンジ層の影響をほとんど受けず均一になる。また、非発泡のゴム層はスポンジ層に比べて伝熱性が高い。従って、このようなゴム層が含フッ素樹脂層の下層に形成されている場合にも、含フッ素樹脂層からの内部（非発泡のゴム層）への熱の移動は、スポンジ層の影響をほとんど受けず均一となる。かくして、何れの場合にも熱容量が不均一なスポンジ層の影響を無視することができるため、定着ローラ表面の温度ムラを有効に防止することができるわけである。
【００１３】
本発明においては、
１．前記含フッ素樹脂層は、５乃至１００μｍの厚みを有していること、
２．前記含フッ素樹脂層は、厚みが１乃至５０μｍの金属乃至合金層を介して形成されていること、或いは厚みが０．１乃至１ｍｍの非発泡のゴム層を介して形成されていること、
３．前記スポンジ層はシリコンゴムの発泡体により形成されていること、
４．この定着装置は、フルカラー画像形成装置に使用されること、
が好適である。
【００１４】
【発明の実施形態】
本発明の定着装置の概略構造を示す図１において、この定着装置は、定着ローラ１と、加圧ローラ２と、加熱ローラ３とから形成されている。加圧ローラ２及び加熱ローラ３は、それぞれ定着ローラ１に対して加圧するように設けられており（加圧機構は省略）、定着ローラ１と加圧ローラ２とは所定のニップ幅ｗ１で当接し、また定着ローラ１と加熱ローラ３とは所定のニップ幅ｗ２で当接しており、加圧ローラ２及び加熱ローラ３は、定着ローラ１の回転に従動して回転するように構成されている。
【００１５】
即ち、加熱ローラ３により、定着ローラ１の表面は所定の定着温度（一般的に、１３０〜１８０℃）に加熱され、この状態で、表面にトナー像５を有する転写材（通常は紙）６が定着ローラ１と加圧ローラ２とのニップ域を通過し、この時に加えられる熱及び圧力によって、トナー像５が転写材６の表面に定着される。従って、トナー像の定着を均一且つ確実に行うためには、（ａ）定着ローラ１と加圧ローラ２との間に十分なニップ幅ｗ１を確保すること、（ｂ）定着ローラ１表面が均一に加熱され、その表面で温度ムラを生じないこと、（ｃ）定着ローラ１表面及び加圧ローラ２表面へのトナー付着がないことなどが必要となる。
また、加熱ローラ３による定着ローラ１表面の加熱を均一に行い、且つ定着ローラ１表面を所定の定着温度まで迅速に昇温させるためには、少なくとも定着ローラ１と加熱ローラ２との間に十分なニップ幅ｗ２を確保することが必要である。
【００１６】
本発明においては、上述した種々の要求を満足させるため、定着ローラ１は、以下に述べる層構成を有している。
即ち、この定着ローラ１は、剛性の芯軸１０上に、スポンジ層１２を有しており、スポンジ層１２上には、含フッ素樹脂層１４が伝熱調整層１６を介して設けられている。即ち、表面側から順に、含フッ素樹脂層１４／伝熱調整層１６／スポンジ層１２の層構成を有している。
尚、芯軸１０は、例えば鉄、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス等の金属乃至合金材料で形成されるが、定着ローラ１を歪み無く回転し得る限り、省略することもでき、例えば、伝熱調整層１６の内側が全てスポンジで形成された構造となっていてもよい。
【００１７】
スポンジ層１２は、定着ローラ１と加圧ローラ２或いは加熱ローラ３との間に十分なニップ幅ｗ１、ｗ２を確保するためのものであり、さらには、所定の定着温度領域まで加熱された定着ローラ１表面の温度降下を抑制するためのものでもある。
【００１８】
このようなスポンジ層１２は、各種ゴムの発泡体により形成される。ゴムとしては、例えばシリコンゴム、ポリブタジエンゴム、クロロプレンゴム、イソプレンゴム、ポリオレフィンゴム、ポリウレタンゴム、アクリルゴム、或いはＥＰＤＭなどの共重合ゴム等を特に制限なく使用することができるが、比較的熱容量が小さく、定着ローラ１表面を迅速に所定の定着温度まで昇温できる（ウォームアップ時間が短い）という点では、シリコンゴムが最適である。
【００１９】
また、スポンジ層１２に形成されるセルは、一般に、５０乃至３００μｍの平均径を有し、且つ発泡倍率は、１．３乃至３．５の範囲にあることが好適である。即ち、セル径が必要以上に大きく、或いは発泡倍率が不必要に大きいと、定着ローラ１に適度な強度を確保することができず、加圧ローラ２や加熱ローラ３とのニップ幅が不均一となったり、定着に際して、トナー像５を均一に加圧することが困難となってしまうおそれがある。また、セル径が小さすぎたり、発泡倍率が小さすぎたりすると、加圧ローラ２や加熱ローラ３とのニップ幅ｗ１、ｗ２を十分な大きさとすることが困難となってしまうおそれがある。
【００２０】
定着ローラ１の表面に形成される含フッ素樹脂層１４は、定着に際して表面へのトナー付着を防止するためのものである。このような含フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン／パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン／テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、エチレン／クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）などを例示することができ、これらの中でも、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やテトラフルオロエチレン／パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）が好適であり、ＰＦＡが最も好適である。
【００２１】
また、含フッ素樹脂層１４を形成後のローラ全体のアスカＣ硬度は、一般に、２０乃至７０度の範囲にあることが、加圧ローラ２や加熱ローラ３と十分なニップ幅で密着させる上で好適である。
【００２２】
さらに含フッ素樹脂層１４は、１０乃至１００μｍの厚みを有していることが好ましい。含フッ素樹脂層１４の厚みが増すほど、その表面の温度ムラを防止する上では有利であるが、あまり厚いと、スポンジ層１２の弾性が損なわれ、ニップ幅ｗ１、ｗ２を十分な大きさとすることが困難となってしまう。また、含フッ素樹脂層１４の厚みが必要以上に薄いと、該層の強度等の機械的性質が不満足となってしまい、定着ローラ１の耐久性が低下するおそれがある。
【００２３】
本発明では、上述したスポンジ層１２と含フッ素樹脂層（表面層）１４との間に、伝熱調整層１６が設けられている。
この伝熱調整層１６は、金属乃至合金或いは非発泡のゴムから形成され、これにより、加熱ローラ３によって加熱された含フッ素樹脂層１４の表面（即ち定着ローラ１の表面）から内部への伝熱を制御し、定着ローラ１表面の温度ムラを防止するものである。
【００２４】
即ち、金属乃至合金は、伝熱性が極めて高く、層厚を薄くすることにより必要な熱容量が得られる。従って、このような金属乃至合金により伝熱調整層１６を形成した場合、定着ローラ１表面（含フッ素樹脂層１４の表面）の熱は、スポンジ層１２の熱容量ムラの影響を受けず、均一に伝熱調整層１６に伝達される。従って、定着時において、定着ローラ１の表面温度を均一に保持することができ、温度ムラの発生を有効に防止することができるのである。
【００２５】
このような金属乃至合金としては、特に制限されるものではなく、任意のものを使用することができるが、一般的には安価であり、且つフィルム状の薄膜として容易に設けることができる点で、アルミ、銅などが好適である。
【００２６】
また、金属乃至合金からなる伝熱調整層１６の厚みは、１乃至５０μｍ程度であるのがよい。即ち、必要以上に厚くしても格別の利点はなく、コスト等の点で不利となるばかりか、スポンジ層１２の弾性が損なわれ、ニップ幅ｗ１、ｗ２を十分な大きさとすることが困難となってしまう。さらに、その厚みがあまり薄いと、成形が困難となったり、また伝熱調整効果が不満足となって、定着時において定着ローラ１表面に温度ムラを生じてしまうおそれがある。
【００２７】
一方、非発泡のゴムは、熱容量が均一でスポンジに比べて伝熱性が高い。従って、このようなゴムにより伝熱調整層１６を形成した場合、定着ローラ１表面から内部への伝熱は、スポンジ層１２の熱容量ムラの影響を受けない。従って、金属乃至合金で伝熱調整層１６を形成した場合と同様、定着時において、定着ローラ１の表面温度を均一に保持することができ、温度ムラの発生を有効に防止することができる。
【００２８】
このようなゴムとしては、通常、スポンジ層１２に関して例示したようなものが使用される。
また、非発泡のゴムからなる伝熱調整層１６の厚みは、０．１乃至１ｍｍ程度であるのがよい。即ち、必要以上に厚くしても格別の利点はないばかりか、スポンジ層１２の弾性が損なわれ、ニップ幅ｗ１、ｗ２を十分な大きさとすることが困難となり、或いは定着ローラ１表面を所定の定着温度まで上昇するのに長時間を要するようになってしまう。また、その厚みがあまり薄いと、伝熱調整効果が不満足となって、定着時において定着ローラ１表面に温度ムラを生じてしまうおそれがある。
【００２９】
上記のような定着ローラ１は、例えばスポンジ層１２を有するローラに、伝熱調整層１６を形成する合金若しくは金属の箔或いはゴムシートを巻き付け、さらに含フッ素樹脂のフィルムを巻き付けることにより安価に製造することができる。
【００３０】
上述した定着ローラ１に対して所定のニップ幅ｗ１、ｗ２で設けられる加圧ローラ２及び加熱ローラ３としては、それ自体公知のものを用いることができる。
【００３１】
例えば加圧ローラ２としては、金属等からなる剛性ローラや前述したスポンジ層１２の形成に使用されるゴムなどからなるゴムローラを用いることができる。また、トナー付着を防止するために、その表面に、定着ローラ１と同様、含フッ素樹脂層を設けることが好ましい。さらに、場合によっては、この加圧ローラ２を中空とし、内部に熱源を設け、加圧ローラ２によっても定着ローラ１の加熱を行うことができる。
【００３２】
加熱ローラ３は、熱伝導性の高い金属乃至合金、例えば鉄、ステンレス、銅、アルミ、ニッケルなどから形成された中空ローラであり、ハロゲンランプ等の熱源３ａを内蔵しているものである。
【００３３】
上記のような定着装置においては、均一な定着を行い且つ効率よく加熱を行うために、各ローラの大きさによっても異なるが、一般に、定着ローラ１と加圧ローラ２とのニップ幅ｗ１は５乃至１０ｍｍ程度、定着ローラ１と加熱ローラ３とのニップ幅ｗ２は２乃至７ｍｍ程度に設定するのがよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、定着ローラ表面の含フッ素樹脂層を、金属乃至合金層或いは非発泡のゴム層を介してスポンジ層上に形成することにより、外部加熱によって、温度ムラを発生することなく、且つ長いウォームアップ時間をかけずに迅速に定着ローラ表面を所定の定着温度まで上昇させることができる。
本発明の定着装置は、定着ローラ表面の温度ムラが有効に抑制されていることから、定着ローラ表面の温度ムラによって画質の劣化が明瞭となってしまうフルカラー画像形成装置に特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の定着装置の概略構造を示す図。
【符号の説明】
１：定着ローラ
２：加圧ローラ
３：加熱ローラ
１２：スポンジ層
１４：含フッ素樹脂層
１６：伝熱調整層
【図１】
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