(57)【要約】【課題】金属ローラに外形が互いに相違する複数の領域を形成することによって、複雑な加工をすることなく、コストを低下させることができ、金属ローラと弾性層との結合力が強く、耐久性を向上させることができるようにする。【解決手段】加熱部材と加圧部材とを有し、前記加熱部材と加圧部材とが接触することによって定着ニップ部が形成される定着装置であって、前記加熱部材又は加圧部材は、金属ローラと、該金属ローラの外周の少なくとも一部に形成された弾性層とを備え、前記金属ローラは、前記弾性層の形成された領域において、長手方向の中央部を含み、略均一な外径の第一の領域と、該第一の領域の外径とは異なる略均一な外径の第二の領域とを備える。【選択図】図１
2009075420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）加熱部材と加圧部材とを有し、前記加熱部材と加圧部材とが接触することによって定着ニップ部が形成される定着装置であって、
（ｂ）前記加熱部材又は加圧部材は、金属ローラと、該金属ローラの外周の少なくとも一部に形成された弾性層とを備え、
（ｃ）前記金属ローラは、前記弾性層の形成された領域において、長手方向の中央部を含み、略均一な外径の第一の領域と、該第一の領域の外径とは異なる略均一な外径の第二の領域とを備えることを特徴とする定着装置。
【請求項２】
前記加熱部材は前記金属ローラを備える加熱用ローラである請求項１に記載の定着装置。
【請求項３】
前記加熱部材は前記金属ローラを備える加熱用ローラであり、前記加圧部材は前記金属ローラを備える加圧用ローラである請求項１に記載の定着装置。
【請求項４】
前記加圧部材は前記金属ローラを備える加圧用ローラである請求項１に記載の定着装置。
【請求項５】
前記加圧部材は前記金属ローラを備える加圧用ローラであり、前記金属ローラは印刷媒体の両端部を加圧する領域の外径が最も大きい請求項１〜３のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項６】
前記金属ローラは、前記第一の領域と第二の領域との境界部に形成された面取り部を備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項７】
前記金属ローラは、前記第一の領域と第二の領域との境界部に形成された曲面部を備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項８】
前記加熱用ローラの金属ローラ及び前記加圧用ローラの金属ローラは、外径の異なる複数の領域を備える金属管を切断して製造される請求項３に記載の定着装置。
【請求項９】
前記請求項１〜８のいずれか１項に記載の定着装置を有す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、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】
従来、電子写真方式の画像形成装置で使用されている定着装置においては、加熱用ローラ及び加圧用ローラを配設し、少なくとも一方のローラをゴム等の弾性体で被覆し、加熱用ローラに対して加圧用ローラを圧接させることによってニップを形成するようになっている。この場合、前記加熱用ローラ及び加圧用ローラは、両端部が支持部材によって支持されているので、加熱用ローラに対して加圧用ローラを圧接させることにより長手方向に撓（たわ）みが生じ、該撓みの変位が原因となって長手方向の中央部において、圧力の低下が発生してしまう。
【０００３】
そこで、加熱用ローラ又は加圧用ローラの芯（しん）金部をクラウン形状に加工し、撓みによる変位を補正することによって、圧力の低下を低減する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−２４６０１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の定着装置においては、加熱用ローラ又は加圧用ローラの芯金部をクラウン形状に加工するために精度の高い切削装置が必要であり、かつ、芯金部のクラウン形状を検査する際に多くの測定点で寸法を測定する必要があるので、作業工程が増加し、結果として、製作コストが高くなってしまう。
【０００５】
本発明は、前記従来の定着装置の問題点を解決して、金属ローラに外形が互いに相違する複数の領域を形成することによって、複雑な加工をすることなく、コストを低下させることができ、金属ローラと弾性層との結合力が強く、耐久性を向上させることができる定着装置及び画像形成装置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】
【０００６】
そのために、本発明の定着装置においては、加熱部材と加圧部材とを有し、前記加熱部材と加圧部材とが接触することによって定着ニップ部が形成される定着装置であって、前記加熱部材又は加圧部材は、金属ローラと、該金属ローラの外周の少なくとも一部に形成された弾性層とを備え、前記金属ローラは、前記弾性層の形成された領域において、長手方向の中央部を含み、略均一な外径の第一の領域と、該第一の領域の外径とは異なる略均一な外径の第二の領域とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、定着装置は、金属ローラに外形が互いに相違する複数の領域を形成するようになっている。これにより、複雑な加工をすることなく、コストを低下させることができ、金属ローラと弾性層との結合力が強く、耐久性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【０００９】
図２は本発明の第１の実施の形態における定着装置を備えた画像形成装置を示す概略側面図である。
【００１０】
図において、１０は本実施の形態における画像形成装置である。ここで、該画像形成装置１０は、例えば、複写機、プリンタ、ＭＦＰ（複合型プリンタ：Ｍｕｌｔｉ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ  Ｐｒｉｎｔｅｒ）、ファクシミリ機等であり、電子写真方式によって、印刷用紙、封筒、ＯＨＰ（Ｏｖｅｒ  Ｈｅａｄ  Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ）シート等の印刷媒体上にモノクロやカラーの画像を形成するようになっている。なお、本実施の形態において、前記画像形成装置１０は、電子写真方式によって画像を形成する装置であって、定着装置４０を装着する装置であれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記画像形成装置１０は、モノクロ画像を形成するものであってもよく、カラー画像を形成するものであってもよいが、ここでは、前記画像形成装置１０がタンデム方式によってカラー画像を形成するものである場合について説明する。
【００１１】
ここで、１１は、現像剤像、すなわち、トナー像が形成される媒体としての印刷媒体であり、該印刷媒体１１を供給する印刷媒体供給手段としての給紙カセット１２に保持される。
【００１２】
そして、前記画像形成装置１０は、印刷媒体１１の搬送経路に沿って順次並ぶように配設され、印刷媒体１１上にシアン、マゼンタ、イエロー及びブラックの４色のトナー像を形成する作像装置２１Ｃ、２１Ｍ、２１Ｙ及び２１ＢＫを有する。前記作像装置２１Ｃ、２１Ｍ、２１Ｙ及び２１ＢＫは、各々、表面にシアン、マゼンタ、イエロー及びブラックの各色のトナー像を担持する静電潜像担持体としての感光体ドラム２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙ及び２２ＢＫ、前記感光体ドラム２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙ及び２２ＢＫの回転方向ａにおいて順に配設される帯電装置２３Ｃ、２３Ｍ、２３Ｙ及び２３ＢＫ、露光装置２４Ｃ、２４Ｍ、２４Ｙ及び２４ＢＫ、現像剤供給装置２５Ｃ、２５Ｍ、２５Ｙ及び２５ＢＫ、並びに、クリーニング装置２６Ｃ、２６Ｍ、２６Ｙ及び２６ＢＫをそれぞれ備えている。なお、前記感光体ドラム２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙ及び２２ＢＫの形状はドラム状でなく、ベルト状であってもよい。
【００１３】
また、前記画像形成装置１０は、画像情報に応じて各色毎の画像を形成する作像装置２１Ｃ、２１Ｍ、２１Ｙ及び２１ＢＫに対向して配設されたベルト式の転写装置３１を有する。該転写装置３１はエンドレス転写媒体３２を張架したローラ３３及び３４によって駆動される。
【００１４】
なお、前記作像装置２１Ｃ、２１Ｍ、２１Ｙ及び２１ＢＫ、感光体ドラム２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙ及び２２ＢＫ、帯電装置２３Ｃ、２３Ｍ、２３Ｙ及び２３ＢＫ、露光装置２４Ｃ、２４Ｍ、２４Ｙ及び２４ＢＫ、現像剤供給装置２５Ｃ、２５Ｍ、２５Ｙ及び２５ＢＫ、並びに、クリーニング装置２６Ｃ、２６Ｍ、２６Ｙ及び２６ＢＫを統合的に説明する場合には、それぞれ、作像装置２１、感光体ドラム２２、帯電装置２３、露光装置２４、現像剤供給装置２５、及び、クリーニング装置２６として説明する。
【００１５】
そして、前記給紙カセット１２から搬送されてきた印刷媒体１１を作像装置２１による作像のタイミングに合わせて供給するレジストローラ１３が配設され、矢印で示されるように、媒体搬送路に印刷媒体１１を送り込むようになっている。
【００１６】
さらに、媒体搬送路の下流側には、印刷媒体１１上の未定着トナー像を定着させる定着装置４０が配設されている。そして、該定着装置４０から排出された印刷媒体１１は、印刷媒体搬送ローラ１４によって搬送された後、排出搬送ローラ１５によって印刷媒体排出口１６へ搬送され、排紙積載部１７に排出される。
【００１７】
次に、前記定着装置４０の構成について詳細に説明する。
【００１８】
図３は本発明の第１の実施の形態における定着装置の構成を示す図である。なお、（ａ）はローラ長手方向の概略方向を示し、（ｂ）は断面構成を示している。
【００１９】
図に示されるように、定着装置４０は、加熱部材としての加熱用ローラ５１及び加圧部材としての加圧用ローラ４１を備える。本実施の形態においては、本発明の定着用ローラが加圧用ローラ４１であるものとして説明する。
【００２０】
前記加熱用ローラ５１は、金属ローラとしての中空円筒であるアルミニウム製の芯金部５２と、該芯金部５２の外周面に形成されたシリコーンゴム等から成る耐熱弾性層としての弾性層５３とを有し、芯金部５２の両端部が軸受５４によって支持される。なお、芯金部５２は、必ずしもアルミニウム製である必要はなく、鉄等の他の金属から成るものであってもよい。さらに、熱源としてのハロゲンランプ５５が、図示されない支持体によって両端部を支持され、加熱用ローラ５１の芯金部５２の内部に配設されている。なお、加熱用ローラ５１の熱源は、ハロゲンランプ５５に限らず、誘導加熱等を使用することができる。
【００２１】
また、前記加圧用ローラ４１は、金属ローラとしての中実シャフトである鉄製の芯金部４２と、該芯金部４２の外周面に形成されたシリコーンゴム等から成る耐熱弾性層としての弾性層４３とを有し、芯金部４２の両端部が軸受４４によって支持される。そして、該軸受４４は、スプリング等から成る付勢部材４５によって支持され、該付勢部材４５の付勢力により、加圧用ローラ４１が加熱用ローラ５１を押圧するように付勢される。ここで、軸受４４は、図示されない支持体によってｙ方向のみに変位可能に支持されている。そして、未定着トナー像を印刷媒体１１に定着させるための定着ニップ部としてのニップ部５６は、加熱用ローラ５１の弾性層５３と加圧用ローラ４１の弾性層４３とが接触することによって形成される。
【００２２】
次に、本実施の形態における定着装置４０の定着用ローラとしての加圧用ローラ４１の構成について説明する。
【００２３】
図１は本発明の第１の実施の形態における加圧用ローラを示す図である。なお、（ａ）は芯金部の構成を示し、（ｂ）は弾性層を形成した状態を示している。
【００２４】
図に示されるように、加圧用ローラ４１の芯金部４２は、該芯金部４２の長手方向の中央部を含み、略均一の外径φＤSA1 を備える第一の領域４２−Ａと、該第一の領域４２−Ａとは異なった外径φＤSB1 を備える第二の領域４２−Ｂとを有する。そして、前記第一の領域４２−Ａと第二の領域４２−Ｂとの外周面には、外径φＤR1の弾性層４３が形成される。
【００２５】
また、前記芯金部４２は、長手方向の両端に、軸受４４によって支持される領域４２−Ｃを有する。なお、本実施の形態においては、各外径の関係は、φＤSB1 ＜φＤSA1 ＜φＤR1である。
【００２６】
次に、前記構成の画像形成装置１０及び定着装置４０の動作について説明する。まず、画像形成装置１０の動作について説明する。
【００２７】
まず、図２に示される画像形成装置１０の電源が投入されると、ハロゲンランプ５５に通電され、該ハロゲンランプ５５によって加熱用ローラ５１が加熱されて昇温し、定着装置４０が良好な定着を行うことができる状態となって立ち上がりが完了し、画像形成可能な状態となる。
【００２８】
そして、オペレータが画像形成を開始するために周知の操作を行うと、給紙カセット１２に保持されている印刷媒体１１が、レジストローラ１３によって転写装置３１へ搬送される。また、各作像装置２１では、感光体ドラム２２が図において矢印ａで示される方向に回転し、この回転に伴い、感光体ドラム２２は帯電装置２３によって帯電される。続いて、感光体ドラム２２上に、露光装置２４からの露光光によって画像情報に応じた静電潜像が形成され、該静電潜像が現像剤供給装置２５により現像される。
【００２９】
続いて、感光体ドラム２２上に形成された現像剤像は、転写装置３１によって、図において矢印ｂで示される方向に搬送される印刷媒体１１上に転写される。一方、転写後に感光体ドラム２２上に残留している現像剤がクリーニング装置２６によって掻（か）き取られる。そして、クリーニングされた感光体ドラム２２は、次の帯電に供える。
【００３０】
そして、ブラックの作像装置２１ＢＫによってブラックの現像剤が転写された印刷媒体１１は、転写装置３１により図において矢印ｂで示される方向に搬送されつつ、作像装置２１ＢＫと同様の工程を行う作像装置２１Ｙ、２１Ｍ及び２１Ｃによって、それぞれ、イエロー、マゼンタ及びシアンの現像剤が適宜転写される。このようにして、画像形成に必要なすべての色の現像剤が転写された後、印刷媒体１１は、転写装置３１から定着装置４０へ搬送される。
【００３１】
次に、該定着装置４０の動作の概略について説明する。
【００３２】
まず、印刷媒体１１の定着を行う際には、加熱用ローラ５１の芯金部５２と、該芯金部５２の外周面に形成された弾性層５３とは、印刷媒体１１上に形成された現像剤像を熱圧着するのに十分な熱量を有するように、ハロゲンランプ５５によって加熱される。また、前記加熱用ローラ５１は、芯金部５２の両端部が軸受５４によって支持されているので、回転運動が可能であるとともに、図示されない駆動系によって回転運動が付与され、これにより、印刷媒体１１を搬送することができる。
【００３３】
一方、加圧用ローラ４１は、芯金部４２が両端部を軸受４４によって回転可能に支持されるとともに、該軸受４４が付勢部材４５により、図３の座標系において＋ｙ方向へ付勢されている。そのため、加圧用ローラ４１の弾性層４３が加熱用ローラ５１の弾性層５３へ押圧され、ニップ部５６が形成される。
【００３４】
このとき、加熱用ローラ５１の芯金部５２と加圧用ローラ４１の芯金部４２とに撓みが生じ、加熱用ローラ５１の芯金部５２は＋ｙ方向へ変位し、加圧用ローラ４１の芯金部４２は−ｙ方向へ変位する。このような前記芯金部５２及び芯金部４２の変位によって、ニップ圧力の低下が生じ、ローラ長手方向、すなわち、図３（ａ）でのｘ軸方向におけるニップ圧力の分布が不均一となる。
【００３５】
ニップ圧力の低下は、芯金部５２及び芯金部４２の撓みの変位量が一番大きいローラ長手方向の中央部において最大となる。しかし、本実施の形態において、加圧用ローラ４１の芯金部４２は、その長手方向の中央部周辺である第一の領域４２−Ａにおける外径が、長手方向の端部周辺である第二の領域４２−Ｂにおける外径と比較して、大きくなっている。そのため、ローラ長手方向の中央部におけるニップ圧力の低下を抑えることが可能となる。
【００３６】
そして、定着装置４０のニップ部５６へ搬送された印刷媒体１１は、加圧用ローラ４１の長手方向に均一化されたニップ圧力の分布を有するニップ部５６によって熱圧着されるので、ニップ圧力変動に起因する定着むらが抑制される。続いて、前記印刷媒体１１は、定着が行われた後、印刷媒体搬送ローラ１４によって搬送され、さらに、排出搬送ローラ１５によって印刷媒体排出口１６へ搬送されて、排紙積載部１７に排出される。
【００３７】
次に、前記定着装置４０の具体例の動作について説明する。
【００３８】
図４は本発明の第１の実施の形態における定着装置の比較例の構成を示す図、図５は本発明の第１の実施の形態における比較例の加熱用ローラの芯金部及び加圧用ローラの芯金部の撓み量を示すグラフ、図６は本発明の第１の実施の形態における定着装置の具体例の構成を示す図、図７は本発明の第１の実施の形態における具体例の加熱用ローラの芯金部及び加圧用ローラの芯金部の撓み量を示すグラフ、図８は本発明の第１の実施の形態における具体例の加熱用ローラの芯金部と加圧用ローラの芯金部との距離を示すグラフである。なお、図４及び６において、（ａ）はローラ長手方向の概略方向を示し、（ｂ）は断面構成を示している。
【００３９】
図４に示される定着装置１４０は、本実施の形態における定着装置４０と対比するための比較例であり、内部にハロゲンランプ１５５が配設された加熱用ローラ１５１と、該加熱用ローラ１５１に押圧される加圧用ローラ１４１とを有する。
【００４０】
そして、前記加熱用ローラ１５１は、材質がアルミニウム製であって、外径がＤｈ＝φ２２〔ｍｍ〕、内径がｄｈ＝φ１９〔ｍｍ〕、厚さｔｈ＝１．５〔ｍｍ〕の円筒から成る芯金部１５２と、該芯金部１５２の外周面に形成され、硬度がＡＳＣＥＲ−Ｃ  １５〔°〕で、厚さが１．５〔ｍｍ〕のシリコーンゴムから成る弾性層１５３とを備える。
【００４１】
また、前記加圧用ローラ１４１は、材質が鉄製であって、外径がＤｂ＝φ２０〔ｍｍ〕の中実のシャフトから成る芯金部１４２と、該芯金部１４２の外周面に形成され、硬度がＡＳＣＥＲ−Ｃ  ５０〔°〕で、厚さ２．０〔ｍｍ〕のシリコーンゴムから成る弾性層１４３とを備える。
【００４２】
ここでは、ニップ部１５６の形成の現象を簡略化するために、加熱用ローラ１５１の両端部の軸受１５４は固定されているものとし、加圧用ローラ１４１の両端部の軸受１４４は、付勢部材１４５によって、片側１０〔ｋｇｆ〕、合計２０〔ｋｇｆ〕の付勢力により＋ｙ方向へ付勢されているものとする。また、前記加熱用ローラ１５１及び加圧用ローラ１４１の弾性層１５３及び弾性層１４３のローラ長手方向に関する寸法は、印刷媒体１１がＡ４サイズの用紙であって、縦送りされたときに前記印刷媒体１１の幅方向をカバーするのに十分な寸法となる２３０〔ｍｍ〕であるものとする。さらに、加熱用ローラ１５１の弾性層１５３と加圧用ローラ１４１の弾性層１４３とが接触することによって形成されるニップ部１５６に加わる荷重は、均一な分散荷重であるものとする。また、芯金部１４２及び１５２と比較して弾性層１４３及び１５３の剛性が非常に小さいので、該弾性層１４３及び１５３の剛性が芯金部１４２及び１５３の撓みに与える影響は無視する。
【００４３】
続いて、比較例としての前記定着装置１４０における加熱用ローラ１５１の芯金部１５２及び加圧用ローラ１４１の芯金部１４２の撓み量を計算する。
【００４４】
材料力学においては、両端支持における梁（はり）の最大撓み量αを求める式は、次の式（１）で表される。
α＝（５ωｌ4 ）／（３８４ＥＩ）  ・・・式（１）
ここで、ωは荷重、ｌはローラ長手方向の長さ、Ｅはヤング率、Ｉは断面二次モーメントを意味する。なお、アルミニウムのヤング率を７０〔ｋｇ／ｍｍ2 〕とし、鉄のヤング率を２１０〔ｋｇ／ｍｍ2 〕とする。
【００４５】
また、円筒の断面二次モーメントを求める式は、次の式（２）で表される。
Ｉ＝π（ｄ14−ｄ24）／６４  ・・・式（２）
ここで、ｄ1 は円筒の外径であり、ｄ2 は円筒の内径である。
【００４６】
前記式（２）に芯金部１４２及び１５３の値を入れて計算を行うと、加熱用ローラ１５１の芯金部１５２の断面二次モーメントＩ152 及び加圧用ローラ１４１の芯金部１４２の断面二次モーメントＩ142 は、次の式（３）で表される。
Ｉ152 ＝５１０１〔ｍｍ4 〕、Ｉ142 ＝７８５３〔ｍｍ4 〕  ・・・式（３）
また、付勢部材１４５による付勢力と加熱用ローラ１５１及び加圧用ローラ１４１の長さとは、各々、ω＝２０〔ｋｇｆ〕、ｌ＝２３０〔ｍｍ〕である。そして、これらの値を前記式（１）に代入すると、加熱用ローラ１５１の芯金部１５２の最大撓み量α152 及び加圧用ローラ１４１の芯金部１４２の最大撓み量α142 は、次の式（４）で表される。
α152 ＝０．１７７〔ｍｍ〕、α142 ＝０．０３８〔ｍｍ〕  ・・・式（４）
図５には、図４（ａ）に示される点０’を原点とし、縦軸、すなわち、ｙ軸に加熱用ローラ１５１の芯金部１５２及び加圧用ローラ１４１の芯金部１４２の撓み量αを取り、横軸、すなわち、ｘ軸にローラ長手方向の変位を示したグラフが示されている。
【００４７】
図５から、ローラ長手方向の中央部Ｃ点において、撓みによって生じた加熱用ローラ１５１の芯金部１５２と加圧用ローラ１４１の芯金部１４２との変位の差Δα3 の値は、最大値０．２１５〔ｍｍ〕を取ることが分かる。ここで、加熱用ローラ１５１及び加圧用ローラ１４１の端部であるｘ＝０、２３０における撓み変位は０なので、撓みによって生じた芯金部１４２及び１５２の差Δα3 がローラ長手方向の中央部Ｃ点における圧力低下の原因であることが分かる。
【００４８】
これに対し、本実施の形態における定着装置４０の具体例は、図６に示されるようになっている。
【００４９】
定着装置４０の加熱用ローラ５１は、比較例の定着装置１４０の加熱用ローラ１５１と同様に、材質がアルミニウム製であって、外径がＤｈ＝φ２２〔ｍｍ〕、内径がｄｈ＝φ１９〔ｍｍ〕、厚さｔｈ＝１．５〔ｍｍ〕の円筒から成る芯金部５２と、該芯金部５２の外周面に形成され、硬度がＡＳＣＥＲ−Ｃ  １５〔°〕で、厚さが１．５〔ｍｍ〕のシリコーンゴムから成る弾性層５３とを備える。
【００５０】
一方、定着用ローラとしての加圧用ローラ４１は、比較例の定着装置１４０の加圧用ローラ１４１とは異なり、材質が鉄製の中実のシャフトから成るが、ローラ長手方向の中央部を含み、略均一な外径がφ２０〔ｍｍ〕で、ローラ長手方向の寸法が１６２．５〔ｍｍ〕である第一の領域４２−Ａ、及び、略均一な外径がφ１９．６〔ｍｍ〕である第二の領域４２−Ｂを備える芯金部４２を有する。また、該芯金部４２の外周面に形成された弾性層４３は、硬度がＡＳＣＥＲ−Ｃ  ５０〔°〕のシリコーンゴムから成り、外径の異なる第一の領域４２−Ａ及び第二の領域４２−Ｂにおいても、均一なφ２４〔ｍｍ〕の外径となるように形成されている。
【００５１】
なお、その他の点の構成は、比較例の定着装置１４０と同様である。すなわち、ニップ部５６の形成の現象を簡略化するために、加熱用ローラ５１の両端部の軸受５４は固定されているものとし、加圧用ローラ４１の両端部の軸受４４は、付勢部材４５によって、片側１０〔ｋｇｆ〕、合計２０〔ｋｇｆ〕の付勢力により＋ｙ方向へ付勢されているものとする。また、前記加熱用ローラ５１及び加圧用ローラ４１の弾性層５３及び弾性層４３のローラ長手方向に関する寸法は２３０〔ｍｍ〕であるものとする。さらに、加熱用ローラ５１の弾性層５３と加圧用ローラ４１の弾性層４３とが接触することによって形成されるニップ部５６に加わる荷重は、均一な分散荷重であるものとする。また、芯金部４２及び５２と比較して弾性層４３及び５３の剛性が非常に小さいので、該弾性層４３及び５３の剛性が芯金部４２及び５３の撓みに与える影響は無視する。
【００５２】
式（２）より、中実のシャフトの断面二次モーメントＩは、外径が増えるほど増加することが分かる。ここで、前記加圧用ローラ４１の芯金部４２の断面二次モーメントをＩ42とする。また、外径がφ１９．６〔ｍｍ〕であり、他の条件は比較例の加圧用ローラ１４１の芯金部１４２と同一であると仮定した芯金部４２の断面二次モーメントをＩmin とする。すると、次の式（５）で表される関係を導き出すことができる。
Ｉmin ＜Ｉ42＜Ｉ142   ・・・式（５）
そして、前記式（２）に値を入れてＩmin を計算すると、Ｉmin ＝７２４４〔ｍｍ4 〕となる。
【００５３】
したがって、Ｉ42は、次の式（６）で表すことができる。
７２４４〔ｍｍ4 〕＜Ｉ42＜７８５３〔ｍｍ4 〕  ・・・式（６）
すると、前記式（１）及び（６）より、加圧用ローラ４１の芯金部４２の最大撓み量α42は、次の式（７）で表される。
０．０３８〔ｍｍ〕＜α42＜０．０４２〔ｍｍ〕  ・・・式（７）
図７には、比較例の定着装置１４０の場合と同様に、図６（ａ）に示す点０’を原点とし、縦軸、すなわち、ｙ軸に加熱用ローラ５１の芯金部５２及び加圧用ローラ４１の芯金部４２の撓み量αを取り、横軸、すなわち、ｘ軸に長手方向の変位を示したグラフが示されている。
【００５４】
図７において、ローラ長手方向の中央部Ｃ点と、加熱用ローラ５１及び加圧用ローラ４１の端部であるｘ＝０、２３０の点とを比較すると、撓みによる変位の差Δα5 は、加圧用ローラ４１の芯金部４２の撓み量α42が０．０４２〔ｍｍ〕のときに最大値０．２１９〔ｍｍ〕となることが分かる。しかし、図７は撓み量のみを表したものであり、実際には原点からの距離３３．７５〜１９６．２５〔ｍｍ〕の第一の領域４２−Ａにおいて、加圧用ローラ４１の芯金部４２の外径はφ２０〔ｍｍ〕となっている。そのため、実際の加熱用ローラ５１の芯金部５２及び加圧用ローラ４１の芯金部４２間の変位の差Δβ5 を表すグラフは、図８のようになる。図８におけるΔβ5 の最大値は、０．１０９〔ｍｍ〕程度であり、Δα5 の最大値０．２１５〔ｍｍ〕の約５０〔％〕程度となる。
【００５５】
なお、今日の一般的な切削装置を使用して、φ２０〔ｍｍ〕の加圧用ローラの芯金部の外径をＤｂ＝φ０．４〔ｍｍ〕程度切削することは、精度面から観て問題がない。このような切削工程を経ることで、図８に示されるように、ローラ長手方向における圧力むらの原因となる撓みによる最大変位を約５０〔％〕程度に抑えることが分かる。
【００５６】
このように、本実施の形態においては、加圧用ローラ４１の芯金部４２に、ローラ長手方向の中央部を含み、略均一な外径φＤSA1 を備える第一の領域４２−Ａと、該第一の領域４２−Ａとは外径が異なり、略均一な外径φＤSB1 を備える第二の領域４２−Ｂとが配設されている。これにより、複雑な加工を行う必要がなく、低コストで加熱用ローラ５１及び加圧用ローラ４１の撓みによって生じた変位を補正することができる。したがって、ローラ長手方向における圧力分布を均一化し、定着むらの少ない定着装置４０、及び、該定着装置４０を有する画像形成装置１０を提供することができる。
【００５７】
また、加圧用ローラ４１の芯金部４２における第一の領域４２−Ａと第二の領域４２−Ｂとの境界に段差が生じるので、芯金部４２と弾性層４３とのローラ長手方向に関する結合力が増大し、加圧用ローラ４１の耐久性が向上する。
【００５８】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構成を有するものについては、同じ符号を付与することによって、その説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００５９】
図９は本発明の第２の実施の形態における加圧用ローラの概略図である。なお、（ａ）は芯金部の構成を示し、（ｂ）は弾性層を形成した状態を示している。
【００６０】
本実施の形態においては、本発明の定着用ローラが加圧用ローラ４１であるものとして説明する。
【００６１】
図に示されるように、加圧用ローラ４１の芯金部４２は、該芯金部４２の長手方向の中央部を含み略均一の外径φＤSA14の第一の領域４２−Ａと、該第一の領域４２−Ａとは異なる外径φＤSB14の第二の領域４２−Ｂとを有する。さらに、前記第一の領域４２−Ａと第二の領域４２−Ｂとの境界部である領域Ｐに形成された面取り部Ｒを有する。
【００６２】
また、第一の領域４２−Ａと第二の領域４２−Ｂとの外周面には、外径φＤR14 の弾性層４３が形成される。さらに、前記芯金部４２は、長手方向の両端部に軸受４４によって支持される領域４２−Ｃを有する。
【００６３】
本実施の形態において、各外径の関係はφＤSB14＜φＤSA14＜φＤR14 である。なお、その他の点の構成については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００６４】
次に、本実施の形態における定着装置４０の動作について説明する。
【００６５】
図１０は本発明の第２の実施の形態におけるニップ圧力の分布のシミュレーション条件を示す図、図１１は本発明の第２の実施の形態におけるニップ圧力の分布のシミュレーション結果を示すグラフである。なお、図１０において、（ａ）は比較例を示し、（ｂ）は具体例を示している。
【００６６】
まず、印刷媒体１１の定着を行う際には、加熱用ローラ５１の芯金部５２と、該芯金部５２の外周面に形成された弾性層５３とは、印刷媒体１１上に形成された現像剤像を熱圧着するのに十分な熱量を有するように、ハロゲンランプ５５によって加熱される。また、前記加熱用ローラ５１は、芯金部５２の両端部が軸受５４によって支持されているので、回転運動が可能であるとともに、図示されない駆動系によって回転運動が付与され、これにより、印刷媒体１１を搬送することができる。
【００６７】
一方、加圧用ローラ４１は、芯金部４２が両端部を軸受４４によって回転可能に支持されるとともに、該軸受４４が付勢部材４５により、図３の座標系において＋ｙ方向へ付勢されている。そのため、加圧用ローラ４１の弾性層４３が加熱用ローラ５１の弾性層５３へ押圧され、ニップ部５６が形成される。
【００６８】
このとき、加熱用ローラ５１の芯金部５２と加圧用ローラ４１の芯金部４２とに撓みが生じ、加熱用ローラ５１の芯金部５２は＋ｙ方向へ変位し、加圧用ローラ４１の芯金部４２は−ｙ方向へ変位する。このような前記芯金部５２及び芯金部４２の変位によって、ニップ圧力の低下が生じ、ローラ長手方向、すなわち、図３（ａ）におけるｘ軸方向に、ニップ圧力の分布が発生する。
【００６９】
ニップ圧力の低下は、芯金部５２及び芯金部４２の撓みの変位量が一番大きいローラ長手方向の中央部において最大となる。しかし、本実施の形態において、加圧用ローラ４１の芯金部４２は、その長手方向の中央部周辺である第一の領域４２−Ａにおける外径が、長手方向の端部周辺である第二の領域４２−Ｂにおける外径と比較して、大きくなっている。そのため、ローラ長手方向の中央部におけるニップ圧力の低下を抑えることが可能となる。
【００７０】
さらに、本実施の形態においては、加圧用ローラ４１の芯金部４２が第一の領域４２−Ａと第二の領域４２−Ｂとの境界部である領域Ｐに形成された面取り部Ｒを有するので、前記領域Ｐにおいて、長手方向に関するニップ圧力の分布の勾（こう）配が滑らかになる。
【００７１】
そして、定着装置４０のニップ部５６へ搬送された印刷媒体１１は、加圧用ローラ４１の長手方向に均一化され、かつ、勾配が滑らなニップ圧力の分布を有するニップ部５６によって熱圧着されるので、ニップ圧力変動に起因する定着むらが抑制される。続いて、前記印刷媒体１１は、定着が行われた後、印刷媒体搬送ローラ１４によって搬送され、さらに、排出搬送ローラ１５によって印刷媒体排出口１６へ搬送されて、排紙積載部１７に排出される。
【００７２】
次に、ニップ圧力の分布をシミュレーションした結果について説明する。ここでは、芯金部４２と弾性層４３との境界部分の断面形状が図１０（ａ）に示されるものを比較例とし、前記断面形状が図１０（ｂ）に示されるものを本実施の形態における具体例として、ニップ圧力の分布をシミュレーションした結果を比較する。
【００７３】
図１０（ａ）に示されるような比較例において、弾性層４３は、硬度ＡＳＣＥＲ−Ｃ
５０〔°〕のシリコーンゴムから成り、厚さは最大部にて１．７〔ｍｍ〕、最小部にて１．５〔ｍｍ〕である。また、芯金部４２はアルミニウムから成る。そして、定着ローラ５１を＋ｙ方向へ変位させることによって面Ｓ１に生じるｘ方向の圧力分布の測定を行った。このとき、圧力の最大値が、現時点において一般的なカラー画像形成装置の定着装置における値である２．０〔ｋｇｆ／ｃｍ2 〕程度となるように調整した。
【００７４】
また、図１０（ｂ）に示されるような具体例において、面取り部Ｒの寸法を０．１〔ｍｍ〕とした。その他の点の構成は、比較例と同様である。そして、比較例の場合と同様の条件で、面Ｓ２に生じるｘ方向の圧力分布の測定を行った。
【００７５】
図１１に示されるシミュレーション結果から、具体例においては、面取り部Ｒを形成したことによって、弾性層４３の面Ｓ２における圧力分布が、比較例の弾性層４３の面Ｓ１における圧力分布と比較して、滑らかになっていることを確認することができた。
【００７６】
このように、本実施の形態において、加圧用ローラ４１の芯金部４２は、該芯金部４２の長手方向の中央部を含み略均一の外径φＤSA14の第一の領域４２−Ａと、該第一の領域４２−Ａとは異なる外径φＤSB14の第二の領域４２−Ｂとを有し、さらに、前記第一の領域４２−Ａと第二の領域４２−Ｂとの境界部である領域Ｐに形成された面取り部Ｒを有する。これにより、複雑な加工を行うことなく、ローラ長手方向に関する撓みによって生じる変位を補正することができ、かつ、ローラ長手方向に関するニップ圧力の分布の勾配を滑らかにすることができる。したがって、定着むらの少ない定着装置４０、及び、該定着装置４０を有する画像形成装置１０を提供することができる。
【００７７】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構成を有するものについては、同じ符号を付与することによって、その説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００７８】
図１２は本発明の第３の実施の形態における定着装置の構成を示す図である。なお、（ａ）はローラ長手方向の概略方向を示し、（ｂ）は断面構成を示している。
【００７９】
図に示されるように、本実施の形態における定着装置４０は、定着用ローラとしての加熱用ローラ５１及び加圧用ローラ４１を備える。そして、前記加熱用ローラ５１は、中空の芯金部５２と、該芯金部５２の外周面に形成された弾性層５３とを有し、芯金部５２の両端部が軸受５４によって支持される。ハロゲンランプ５５は、図示されない支持体によって両端部を支持され、中空の芯金部５２の内部に配設される。
【００８０】
また、前記加圧用ローラ４１は、中実の芯金部４２と、該芯金部４２の外周面に形成された均一な外径の弾性層４３とを有する。そして、芯金部４２の両端部には、絞り加工によって、他の領域より小さな径の小径領域が形成されている。該小径領域内には回転軸受４６が埋め込まれ、該回転軸受４６の中心をシャフト４７が貫通する。すなわち、芯金部４２は、回転軸受４６を介して、シャフト４７によって回転可能に支持されている。
【００８１】
なお、該シャフト４７は軸受４４によって支持される。そして、該軸受４４は、スプリング等から成る付勢部材４５によって支持され、該付勢部材４５の付勢力により、加圧用ローラ４１が加熱用ローラ５１を押圧するように付勢される。そのため、加圧用ローラ４１の弾性層４３が加熱用ローラ５１の弾性層５３へ押圧され、ニップ部５６が形成される。
【００８２】
次に、本実施の形態における加熱用ローラ５１及び加圧用ローラ４１の製造工程について説明する。
【００８３】
図１３は本発明の第３の実施の形態における加熱用ローラ及び加圧用ローラの製造工程を示す第１の図、図１４は本発明の第３の実施の形態における加熱用ローラ及び加圧用ローラの製造工程を示す第２の図である。なお、図１３の（ａ）〜（ｃ）及び図１４の（ａ）及び（ｂ）は、製造工程の各段階を示している。
【００８４】
まず、図１３（ａ）に示されるように、内径がφｄSA17であり、外径がφＤSA17である中空の金属管６１を用意する。続いて、該金属管６１に切削加工を施して、図１３（ｂ）に示されるように、異なる外径φＤSB17を有する領域６１−Ｂを形成する。なお、領域６１−Ａは、加工を施さなかった領域であり、外径がφＤSA17のままである。続いて、Ａ−Ａ部で金属管６１を切断し、加熱用ローラ５１の芯金部５２（図１３（ｂ）における左側）と加圧用ローラ４１の芯金部４２（図１３（ｂ）における右側）とに分割する。
【００８５】
続いて、加圧用ローラ４１の芯金部４２の両端に絞り加工を施し、図１３（ｃ）に示されるように、小径化された領域４２−Ｃを形成する。そして、該領域４２−Ｃに回転軸受４６を埋め込む。
【００８６】
最後に、図１４（ａ）に示されるように、加熱用ローラ５１の芯金部５２における領域５２−Ｒに外径φＤR17 の弾性層５３を形成し、加熱用ローラ５１を得ることができる。同様に、図１４（ｂ）に示されるように、加圧用ローラ４１の芯金部４２における領域４２−Ｒに外径φＤR17 の弾性層４３を形成し、加圧用ローラ４１を得ることができる。
【００８７】
なお、その他の点の構成及び動作については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００８８】
このように、本実施の形態において、加熱用ローラ５１の芯金部５２及び加圧用ローラ４１の芯金部４２は、同一の中空の金属管６１に外径の異なる領域６１−Ｂを形成した後に切断分離して作成される。そのため、加熱用ローラ５１の芯金部５２及び加圧用ローラ４１の芯金部４２を構成する材料を統一することができる。また、加熱用ローラ５１及び加圧用ローラ４１の領域５２−Ｒ及び４２−Ｒの長さと両端における外径とを同一の寸法にすることによって、弾性層５３及び４３を形成するために使用される型を統一することができる。したがって、加熱用ローラ５１及び加圧用ローラ４１の製造コストを抑制することができる。
【００８９】
さらに、芯金部４２の長手方向の中央部を含み略均一の外径φＤSA17の領域６１−Ａと、該領域６１−Ａとは異なる外径φＤSB17の領域６１−Ｂとが、加圧用ローラ４１の芯金部４２の弾性層４３を形成する領域４２−Ｒに配設されている。これにより、複雑な加工を行う必要がなく、低コストで加熱用ローラ５１及び加圧用ローラ４１の撓みによって生じた変位を補正することができる。したがって、ローラ長手方向における圧力分布を均一化し、定着むらの少ない定着装置４０、及び、該定着装置４０を有する画像形成装置１０を提供することができる。
【００９０】
なお、前記第１〜第３の実施の形態においては、弾性層４３及び５３にシリコーンゴムを使用した例について説明したが、スポンジ又はベルトを弾性層４３及び５３に使用することも可能である。
【００９１】
また、前記第１〜第３の実施の形態においては、加熱部材として加熱用ローラ５１を使用し、加圧部材として加圧用ローラ４１とを使用する定着装置４０について説明したが、撓み量の計算を合わせれば、加圧部材としてパットを使用したり、複数の加圧用ローラ４１を使用することもできる。
【００９２】
さらに、前記第１〜第３の実施の形態においては、第一の領域及び第二の領域の２つの領域を用いた例について説明したが、第一の領域及び第二の領域とは異なる外径を有する、第三の領域、第四の領域等のより多くの領域を追加して、加熱用ローラ５１及び加圧用ローラ４１の撓み変位量を調節することも可能である。
【００９３】
さらに、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の第１の実施の形態における加圧用ローラを示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における定着装置を備えた画像形成装置を示す概略側面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における定着装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における定着装置の比較例の構成を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における比較例の加熱用ローラの芯金部及び加圧用ローラの芯金部の撓み量を示すグラフである。
【図６】本発明の第１の実施の形態における定着装置の具体例の構成を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における具体例の加熱用ローラの芯金部及び加圧用ローラの芯金部の撓み量を示すグラフである。
【図８】本発明の第１の実施の形態における具体例の加熱用ローラの芯金部と加圧用ローラの芯金部との距離を示すグラフである。
【図９】本発明の第２の実施の形態における加圧用ローラの概略図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態におけるニップ圧力の分布のシミュレーション条件を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態におけるニップ圧力の分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１２】本発明の第３の実施の形態における定着装置の構成を示す図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態における加熱用ローラ及び加圧用ローラの製造工程を示す第１の図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態における加熱用ローラ及び加圧用ローラの製造工程を示す第２の図である。
【符号の説明】
【００９５】
１０    画像形成装置
１１    印刷媒体
４０、１４０    定着装置
４１、１４１    加圧用ローラ
４２、５２    芯金部
４２−Ａ    第一の領域
４２−Ｂ    第二の領域
４２−Ｃ、４２−Ｒ、５２−Ｒ、６１−Ａ、６１−Ｂ    領域
４３、５３、１４３、１５３    弾性層
５１、１５１    加熱用ローラ
５６    ニップ部
６１    金属管
【図１】
2009075420.tif 000003
【図２】
2009075420.tif 000004
【図３】
2009075420.tif 000005
【図４】
2009075420.tif 000006
【図５】
2009075420.tif 000007
【図６】
2009075420.tif 000008
【図７】
2009075420.tif 000009
【図８】
2009075420.tif 000010
【図９】
2009075420.tif 000011
【図１０】
2009075420.tif 000012
【図１１】
2009075420.tif 000013
【図１２】
2009075420.tif 000014
【図１３】
2009075420.tif 000015
【図１４】
2009075420.tif 000016