JP2994858B2

JP2994858B2 - 定着装置

Info

Publication number: JP2994858B2
Application number: JP4164882A
Authority: JP
Inventors: 久明仙波; 浩松本; 佳右長谷川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-06-23
Filing date: 1992-06-23
Publication date: 1999-12-27
Anticipated expiration: 2014-12-27
Also published as: JPH063995A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、画像形成装置に用いら
れ未定着画像を定着装置に関し、特に、熱ローラ方式の
定着装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】画像形成装置に用いられ未定着画像を定
着する定着装置としては熱効率等の理由から少なくとも
一方が熱源により加熱される一対のローラーからなる熱
ローラー方式が広く用いられている。

【０００３】図７は熱ローラー定着装置の１例を示すも
ので、基本構成としてはハロゲンランプ等の加熱源３
（以下、ヒーターと呼ぶ）を有する定着ローラー１と、
これに圧接するシリコンゴム等の弾性層６を、芯金７上
に有する加圧ローラー２とからなる。定着ローラー１
は、芯金４の回りにトナーの粘性による付着を防止する
目的で、フッ素樹脂等の離型性の良い樹脂表層５が形成
されている。また定着ローラーの周面上には、温度検知
手段８が設けられ、定着ローラーの表面温度を検知する
事で、その温度を略一定に保つようにヒーターを制御し
ている。この様な構成の定着器に於いて、定着ローラー
１と加圧ローラー２とが、所定の加圧力で圧接して圧接
部（以下、ニップ部とする）を形成し、駆動手段（図示
せず）により駆動を受けて回転する事により、上記ニッ
プ部に於いて転写材Ｐを挟持搬送する。この際定着ロー
ラーは加熱源によって所定の温度に制御されており、転
写材Ｐ上のトナー像Ｔは、両ローラー間を通過する際、
圧力を受けながら熱溶融し、ローラー対を出て冷却され
る事によって永久像として転写材Ｐに定着する。

【０００４】この様な熱ローラー定着装置に於いては、
上記のように定着ローラーを定着可能な所定の温度にま
で立ち上げ、かつそれを維持する事が重要である。電源
投入後、所定の温度まで立ち上げるに要する時間をウェ
イトタイムと呼ぶが、利用者にとっては、ゥェイトタイ
ムは短い方が好ましい。

【０００５】そこで近年では、ウェイトタイムを短くす
るような定着器の構成が検討されているが、そのもっと
も有力な方法の１つは定着ローラーの芯金を薄くする事
である。なぜならば、芯金を薄くする事で熱容量が小さ
くなり、限られた熱量で急速に加熱し、昇温させる事が
可能だからである。また熱容量を小さくすれば、それを
所定の温度に維持するに必要な熱量も少なくなり、省エ
ネルギーにもつながる。

【０００６】このため近年、アルミニウム製の芯金を
０．１ｍｍ以下としたものも考えられている。

【０００７】

【発明が解決する課題】しかし、このようにアルミニウ
ム製の芯金を薄くすることは定着速度の遅い低速機では
行なわれているが、定着速度の速い高速機では困難であ
る。

【０００８】これは定着速度の速い装置では短時間で十
分な熱量を与えるために大きなニップ巾が必要であり、
大きな圧力を加えなくてはならない。

【０００９】このため定着ローラーは撓まないように十
分な強度が必要であり、アルミニウム製の芯金を大きく
は薄くすることはできず、２ｍｍ程度が限界である。

【００１０】また、曲げ強度の大きな炭素鋼を芯金材と
して用いることも考えられるが、炭素鋼は熱伝導性が悪
い。

【００１１】一方加圧力を余り上げないでニップ巾を増
やす手法としては、加圧ローラーの低硬度化が挙げられ
る。加圧ローラーを低硬度化した物としては、シリコ
ンゴム層を厚肉化したもの、シリコンスポンジからな
るローラー、シリコンスポンジ層にシリコンゴム層を
かぶせた物、シリコンスポンジ層にフッ素樹脂層をか
ぶせた物、等がある。

【００１２】しかし、は、熱容量が大きくかつ比較的
熱伝導性がよい為、加圧ローラーが温まりにくい割に、
定着ローラーから大量の熱を奪う。このため定着ローラ
ーの温度低下が著しくなり（特に薄肉の定着ローラーな
どの場合は）定着性が悪化する。は、ローラーが空気
層を持つため断熱性に優れ、上記のように熱を奪うよう
な事はないが、表面がトナーで汚れ易いという欠点があ
る。は、表層が充分な強度を持とうとすると、０．２
ｍｍ〜１ｍｍ程度の厚みを必要とし、と同様な欠点を
有する。は、表面に樹脂層がくるため、その分大幅に
硬くなり、ニップ幅がとれずらい。さりとて、スポンジ
層を大幅に低硬度化しようとすると、従来は発泡率を大
きくしたり、連泡にしたりするが、これでは圧縮歪残り
が大きくなったり、破泡といった問題が生じる。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本願発明は、内部に熱源を有する第１ローラーと、この
第１ローラーとニップを形成する第２ローラーと、を有
する定着装置において、上記第１ローラーは厚さ１．０
ｍｍ以下の炭素鋼からなる芯金と、表面離型層と、を有
し、上記第２ローラーは厚さ０．１ｍｍ以下の表面離型
層と、この表面離型層の内側に設けられローラー長手方
向に平行な複数の貫通孔を備える多孔質弾性体層と、を
有することを特徴とするものである。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。

【００１５】［第１実施例］図１は本発明の第１実施例
の断面図である。第１のローラーである定着ローラー１
は、厚さが１ｍｍ以下の炭素鋼からなる芯金４の上に、
プライマー等を介してＰＴＦＥ、ＰＦＡ等の離型性、耐
熱性のある樹脂層５を設けている。内側には１本、また
は複数本のハロゲンランプ等からなる加熱源３を設けて
おり、定着ローラーの外周面近傍に設けられた温度制御
素子８によって所定の温度（概１６０℃〜２００℃）に
制御されている。

【００１６】第２のローラーである加圧ローラー２は、
芯金７の上にシリコンゴムの発泡層９、その上に、厚さ
が１００μ以下のＰＦＡの成型されたチューブ１１をか
ぶせている。さらに、本発明の特徴として、発泡層９の
芯金近くに、長手方向に貫通する複数本の貫通孔１１を
設けている。この貫通孔の断面積は、１個当たり２５ｍ
ｍ² 以下にしている。この様な定着装置にあっては、電
源投入により加熱源に通電され定着ローラーが加熱され
るが、薄肉の芯金であるので、熱容量が小さく、また素
材自体は従来のアルミニウム材等に比べて熱伝導性が悪
いものの、供給された熱エネルギーが即座に定着ローラ
ー外表面（実際に定着すべきトナーに接する）に到達す
るため、ウェイトタイムが短く、かつ外表面の温度変化
に迅速に対応できる。また薄肉であっても強度の大きい
素材であって、かつ加圧ローラーが低硬度のものでもあ
るので十分な耐圧を有する。

【００１７】一方加圧ローラーは、表面が離型性を有す
る樹脂層であるため、ローラー表面にトナー汚れは生じ
ない。また樹脂表層が非常に薄いため、熱容量が小さ
く、しかも内層が空気層を含む多孔質体であるため、断
熱性が大きい。このため定着ローラーからの熱が加圧ロ
ーラー表面には流れ込むものの、多孔質層への流れ込み
は小さく、それ故にローラー対の前多回転時等に、定着
ローラーから加圧ローラー側に熱が大量に奪われて、定
着ローラーが急激に温度低下する事がなく、また加圧ロ
ーラーも表面だけが急速に加熱される。さらに表面が樹
脂表層であっても加圧ローラーの多孔質体層に適度な大
きさの貫通孔が複数有って、全体の硬度アップを防いで
いる。故に、低加圧（概総圧５０ｋｇ以下）であっても
十分なニップ巾（数ｍｍ程度）が確保できる。

【００１８】この様な状態で未定着像がローラー対に侵
入すると、紙やトナーに熱が奪われて、一時的に定着ロ
ーラーの表面温度は低下するが、薄肉であるが故に上述
のようにローラー表面への熱供給が迅速に行われ、結果
的に定着ローラー表面はほぼ所定の温度に維持されつ
つ、十分に確保されたニップ巾内に於いてトナーが熱定
着される。

【００１９】ここで定着ローラーの芯金の厚さ、加圧ロ
ーラー表層の厚さ、貫通孔の大きさや数について筆者ら
の検討結果を元に、ふれておく。

【００２０】表１は、定着ローラーの芯金材質と厚さ、
加圧ローラーの構成、を変えたときの定着性や定着ロー
ラー撓み、およびウェイトタイムを比較したものであ
る。

【００２１】

【表１】

【００２２】従来のアルミ製の芯金であれば、２ｍｍ程
度の厚みがあれば定着性、撓みとも問題ないが、ウェイ
トタイムが著しく長い（）。そこで、これを短くする
ために１ｍｍまで薄くすると、定着ローラーが撓んで使
用できない（）。また定着性も悪くなる。軽圧化のた
めに貫通孔のあるタイプの加圧ローラーを持ってきて
も、撓みは許容されるレベルにはならない（）。芯金
を炭素鋼に変えると、厚さが０．３ｍｍ程度まで薄くな
っても、撓みは許容できる（）。しかし、厚さが１．
５ｍｍもあると熱伝導性が悪いため、ウェイトタイムが
長く、かつ表面温度が所定値を維持できないため、定着
性が悪い（）。ただし定着性は、貫通孔のある加圧ロ
ーラーに変えると良化する（）。さらに、定着ローラ
ーの芯金厚を１ｍｍ以下にすると定着性は許容されるレ
ベルに達するうえに、ウェイトタイムは大幅に短縮され
る。この様に定着ローラーの芯金厚を変化させると定着
性が変わるが、これを定着ローラー表面の温度リップル
に着目してみたデータが、図２に示すものであって、横
軸に定着ローラーの芯金の厚さ、縦軸に通紙時の定着ロ
ーラー表面の温度リップルを取っている。このグラフか
らもわかるように、芯金の厚さが厚くなると、供給され
た熱が表層に到達するまで時間がかかるため、熱伝導性
の悪い炭素鋼ではリップルが大きくなっていく。また余
りに薄くなると、熱容量が小さくなりすぎてしまい、逆
に温度変化が大きくなっていく。この傾向はそのまま定
着性に反映され、薄すぎても、厚すぎてもいて着せいは
低下する。

【００２３】図３は、横軸に加圧ローラー表層の厚さ、
縦軸に立ち上がり初期の定着ローラーの温度低下度合い
を取ったものである。この場合表層が厚くなっていくに
従って、熱容量が大きくなるため定着ローラーから奪わ
れる熱量が増え、その分温度低下が大きくなっていく。
また熱容量が増えれば、加圧ローラー表面の温度上昇は
遅くなる。このため定着性も同様に加圧ローラー表層厚
が厚くなるに従って悪化する。通常定着時の設定温度
は、ホットオフセット側を考慮して定着可能温度から１
０〜１５℃高いところに設定されているため、それ以上
に初期の温度低下が有ると、定着不良となる。この事か
ら樹脂層厚は、０．１ｍｍ以下が必要である。また樹脂
厚が厚くなれは、ニップが極めて取りずらくなるので、
この点からも０．１ｍｍ以下が望ましい。

【００２４】図４は、貫通孔の大きさと個数について調
べたものであって、横軸は加圧ローラーのスポンジ層部
の断面積に占める、貫通孔の合計した開口面積の比率
を、縦軸はニップ巾を取っている。開口比が大きくなる
と、加圧ローラーは低硬度化するのでニップ巾はとれ易
くなる。数ｍｍ程度のニップを確保するには概１／５０
程度が必要である。しかしそれ以上なら比率はいくら大
きくてもいいというわけではない。断面比が大きくなる
という事は、貫通孔の数が多くなるか、貫通孔の開口が
大きくなる事を意味する。貫通孔を多くすると、相対的
に弾性力を生み出しているスポンジゴム部が少なくな
り、圧縮永久歪や硬度劣化が大きくなる。また、貫通孔
を大きくすると加圧ローラーの硬度が、孔のある部位と
無い部位で著しく変わり、定着不良や紙送り不良を生じ
る。この様な点から筆者らが検討した結果、１個当たり
の開口面積は０．５〜２５ｍｍ² 、開口数は断面比が１
／５以下とすることが好ましい。

【００２５】［実施例２］一般に弾性層を有する加圧ロ
ーラーを剛体である定着ローラーに圧接すると、加圧ロ
ーラーの芯金の撓み等によって、長手方向で中央部のニ
ップ巾が端部に比べて狭くなる。この傾向は、加圧ロー
ラーの硬度が低くなるほど顕著に現れる。このため、中
央部に於ても必要な巾広のニップを得ようとすると、加
圧力を大きくして両端部にかなり大きなニップが形成さ
れるようにしなければならない。しかし、このようにす
るとニップ巾が大きい分両端での定着ローラーからの熱
の奪われ方が大きくなり、定着ローラーが薄肉である場
合、両端部の温度低下＝定着性の悪化につながる。

【００２６】本実施例は長手方向でのニップ巾を略等し
くするもので、図５に加圧ローラーの断面図を示す。

【００２７】当図は、加圧ローラー長手方向の断面図で
あって、芯金７のまわりにシリコンゴム等からなるスポ
ンジ層９、スポンジ層９の上にＰＦＡの成型されたチュ
ーブ１０をかぶせている。ここでスポンジ層９は、前記
例同様複数本の貫通孔１１を有するが、貫通孔の断面形
状が前記例とは違い、中央部にいくに従って太くなるよ
うに構成されている。この様な加圧ローラーを前記例同
様１ｍｍ以下の肉厚の炭素鋼から成る定着ローラー１と
組み合わせて用いる。この様な構成にあっては、加圧ロ
ーラーの中央部の硬度が両端部に比べて実質的に低いた
め、中央、両端でニップ巾にそれほど差が生じない。故
に過剰に加圧する事無く、ローラーの長手方向に略均一
な必要ニップ巾を確保する事が出来、両端部を含めて定
着性の低下を防ぐ事が出来る。さらにウェイトタイムの
短縮化、加圧ローラー表面の汚れ防止の前記例同様達成
出来る。

【００２８】［実施例３］図６に本発明の第３実施例の
断面図を示す。

【００２９】定着ローラー１は薄肉のステンレスからな
る芯金１２の上に、比較的薄い耐熱性ゴム層１３、この
上にさらにフッ素樹脂等から成る離型層１４を設けてな
る。

【００３０】このゴム層１３によりトナー、紙への伝熱
効率を高めている。

【００３１】耐熱性ゴムとしては、リコンゴムやフッ素
ゴム等が良く、かつ熱伝導性を上げるために金属酸化物
等の微粉末を添加しておく事が、望ましい。加圧ローラ
ー１３は、複数本の貫通孔１１を有するシリコンの発砲
層９を厚さが０．１ｍｍ以下のシリコン樹脂表層１５で
覆った構造をしている。定着ローラーの芯金の厚さは、
前記例同様高々１ｍｍ程度であり、ゴム層１２の厚さは
これより薄い方がよい。

【００３２】この様な構成に於いて、上下共に弾性層を
有し、特に加圧ローラーは貫通孔のを以て全体硬度を下
げているため、軽圧でも十分なニップ巾が確保できる。
また定着ローラーの芯金と芯金上のゴム層が薄く、かつ
熱伝導性を上げているために、通紙時の温度変化を小さ
くする事が出来る。また加圧ローラーが薄い表面樹脂層
を持った断熱性の高い構造であるために、定着ローラー
から多くの熱を奪う事無く、昇温する。これらの理由に
より前記例同様ウェイトタイムを短くしつつ、所定の定
着性を確保出来る。

【００３３】なお以上の実施例に於いて、加圧ローラー
の表面層として、ＰＦＡチューブやシリコン樹脂をあげ
たが、離型性を有する樹脂としてはこれに限定されるも
のではなく、ＰＦＡ以外のフッ素樹脂、フッ素樹脂とフ
ッ素ゴム、シリコンゴムを混合したもの等が使用可能で
ある。また特にはふれなかたっが、定着ローラーの芯金
とフッ素樹脂の接着、また加圧ローラーのスポンジ層と
表面の離型層との接着にプライマー等を用いる事も過度
な厚さに形成されない限り本発明においても通常的に使
用できる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明した通り本発明によれば、加圧
ローラー表面のトナー汚れを防止しつつ、ウェイトタイ
ムを短縮し、かつ定着性を確保する事が出来た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の断面図である。

【図２】第１実施例における、定着ローラー芯金の厚さ
と温度リップルの関係を示す図である。

【図３】第１実施例における、加圧ローラー表面層の厚
さと初期の定着ローラーの温度低下の度合いとの関係を
示す図である。

【図４】第１実施例における、加圧ローラーの断面比
（スポンジ部の全面積に占める貫通孔の全面積の比率）
に対するニップ巾の関係を示す図である。

【図５】本発明の第２実施例に用いられる加圧ローラー
の側面図である。

【図６】本発明の第３実施例の断面図である。

【図７】従来の定着装置の断面図である。

【符号の説明】

１定着ローラー２加圧ローラー３ハロゲンランプ４芯金９発泡層１１貫通孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−60570（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−41675（ＪＰ，Ａ) 特開平２−282283（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G03G 15/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に熱源を有する第１ローラーと、こ
の第１ローラーとニップを形成する第２ローラーと、を
有する定着装置において、上記第１ローラーは厚さ１．０ｍｍ以下の炭素鋼からな
る芯金と、表面離型層と、を有し、上記第２ローラーは
厚さ０．１ｍｍ以下の表面離型層と、この表面離型層の
内側に設けられローラー長手方向に平行な複数の貫通孔
を備える多孔質弾性体層と、を有することを特徴とする
定着装置。
【請求項２】上記第２ローラーの表面離型層はフッ素
樹脂からなり、上記多孔質弾性体層はシリコンスポンジ
ゴムからなることを特徴とする請求項１の定着装置。
【請求項３】上記複数の貫通孔は周方向に沿って設け
られていることを特徴とする請求項１もしくは２の定着
装置。