JP4256768B2

JP4256768B2 - 電子写真装置

Info

Publication number: JP4256768B2
Application number: JP2003427585A
Authority: JP
Inventors: 平岡　　力; 花島　　透; 哲司竹越; 五郎佐藤; 章吾松本
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2009-04-22
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: US7231158B2; US20050141914A1; JP2005189307A

Description

本発明は、電子写真技術を利用した複写機やプリンタなどの画像形成装置に関するものである。

一般に電子写真装置に用いられる定着器には、加熱ローラの表面温度を一定に維持するために加熱ローラ表面の温度を検知する温度検知手段を有している。この温度検知手段としては、加熱ローラに接触して加熱ローラの表面温度を検知する接触式サーミスタを用いる接触式温度検知と、加熱ローラとは接触せずに温度を検知する非接触サーミスタを用いる非接触式温度検知の２つの方式がある。

接触式温度検知の場合は、加熱ローラとサーミスタが接触することで必然的に加熱ローラを傷つけるため、加熱ローラに傷がついても用紙への画像欠陥が発生しないよう、接触式サーミスタを、加熱ローラと用紙が接触しない、すなわち通紙幅よりも外側の、加熱ローラ端部の非通紙部へ設けるのが一般である。

一方、非接触式温度検知の場合は、赤外線にて温度を検知するタイプと輻射熱を検知するタイプがあり、接触式サーミスタと違い、加熱ローラと接触しないため、加熱ローラ通紙部への設置が可能である。

特開２００３−０９８８９９号公報

上述した従来の方式では、用紙が加熱ローラと接する通紙部分の温度を間接的に検知するため温度応答性には限界がある。その結果、高精度な温度制御が要求される高速定着、或は、多種の用紙、すなわち用紙の坪量が６０〜２１０ｇ／ｍ^２の薄紙から厚紙や封筒、ＯＨＰシートなどに対して適正な温度制御を行う、高画質のカラー画像の定着には、以下の理由から対応しきれないという問題がある。
先ず、接触式温度検知の場合は、加熱ロ−ラ自体の軸方向への熱伝達が良くないため、用紙と接しトナーを溶融する加熱ローラの通紙部は、用紙に熱が奪われて温度が下がるけれども、温度検知している加熱ローラ端部の非通紙部では、熱が用紙に奪われないため温度が急には下がらない。その結果、加熱ローラの通紙部と接触サーミスタ検知する温度にズレが生じ、加熱ローラを一定の温度に維持することが難しいものとなっている。また、多種の用紙に応じて加熱ローラの表面温度を適正な温度に切り替える場合においては、この様な非通紙部の温度と通紙部との温度ズレにより、非通紙部に設けた接触式サーミスタの検知温度だけでは、加熱ローラの通紙部の温度を高精度に制御することが困難である。それ故、その結果として、加熱ローラの通紙部の温度が低い場合には、トナーが溶融しきれず用紙からトナーが剥がれるコールドオフセットが生じたり、或は通紙部の温度が高い場合には溶融したトナーが加熱ローラに粘着するホットオフセットや用紙が加熱ローラに巻き付く現象が発生するという問題がある。
一方、非接触式温度検知の場合は、加熱ローラを傷つけることがないため、加熱ローラの通紙部に設けることができる。それ故、上述したような非通紙部の温度を検知する接触式温度検知よりも、通紙部の温度を検知することが可能である。しかしながら、赤外線タイプおよび輻射熱タイプには、それぞれ以下の問題がある。

先ず、赤外線タイプの場合は、検知素子周辺の気流やゆらぎの影響を防ぐための保護部材が必要である。そのため、接触式や輻射熱タイプと比べるとかなり大型となる他、部品数も多く低コスト化が困難という問題がある。

次に輻射熱タイプの問題について述べる。輻射熱タイプは、一般に接触式サーミスタと同じ検知素子を加熱ローラからある空隙を保って保持させることで、加熱ローラ表面温度を空気層を介して検知するものである。それ故、簡単な構成であり、小型、低コストに対してはもっとも有利である。しかしながら、空気層を介して加熱ローラの温度を検知するため、やはり加熱ローラ表面温度と検知温度には時間的な遅れによるズレが生じ、その結果、接触式温度検知と同様、高速定着や多種用紙に対する高画質のカラー定着では、加熱ローラの温度が安定せず、コールドオフセットやホットオフセットが発生し、最悪の場合、用紙の巻きつきジャムが発生するという問題がある。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、温度検知手段の大型化やコストアップすることなく、加熱ローラの表面の傷つきによる画像欠陥を防止するとともに、高精度な温度制御が要求される高速定着や多種用紙の高画質カラー定着を実現する定着器およびそれを用いた電子写真装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の第一の特徴は、円筒状芯金の内部に発熱体を有し、前記円筒状芯金の周囲に形成した耐熱性とトナー離型性を兼ね備えた加熱ローラと、前記加熱ローラの表面に接触して前記加熱ローラの表面温度を検知する温度検知手段と、を備えた定着装置において、前記加熱ローラは、表面がＰＦＡ（四弗化エチレンパーフロロアルコキシレン共重合体）樹脂で被覆され、前記温度検知手段は、フィルムを介して前記加熱ローラに接触する１枚の金属板と、前記金属板の前記加熱ローラと反対側に設けられた温度検知素子とを、前記金属板の前記加熱ローラ側と前記温度検知素子側の両側から挟み込むように前記フィルムを張り合わせて構成され、少なくとも前記加熱ローラ側の前記フィルムをフッ素樹脂フィルムとするとともに、前記フッ素樹脂フィルムの幅を前記金属板よりも広く、且つ前記フッ素樹脂フィルムの端部と前記加熱ローラの軸方向の稜線とがなす角度を５°以上とする電子写真装置の定着装置を提供することにある。

本発明の電子写真装置によれば、温度検知手段の大型化やコストアップすることなく、加熱ローラの表面の傷つきによる画像欠陥を防止するとともに、高精度な温度制御が要求される高速定着や多種用紙の高画質カラー定着を実現することができる。

加熱ローラの表面の傷つきによる画像欠陥を防止するとともに、高精度な温度制御が要求される高速定着や多種用紙の高画質カラー定着を実現するという目的を、接触サーミスタおよびローラの表面材質により、最小の部品点数で、定着器ならびに電子写真装置の大きさを損なわずに実現した。

以下、本発明の一実施例を図１、２、３を用いて説明する。
先ず、本発明に係わる電子写真装置の概要について、その概略断面を示す図２を用いて説明する。図２において、装置中央部に中間転写装置１１が配置されており、中間転写装置１１の周辺には、感光装置１２、転写装置１３、用紙剥離手段１４、中間転写装置清掃手段１５が配置されている。また、感光装置１２の周辺には、帯電器１６、感光体清掃手段１７、残像除去手段１８が配置されている。４色の異なる色の微少着色粉体であるトナーを封入した現像器１９Ｋ、１９Ｙ、１９Ｍ、１９Ｃが重ねられて配置されており、その下方には露光手段２０、また更にその下方には用紙を溜めておく用紙保持手段２１、用紙供給装置２２が配置されている。電子写真装置上部には、定着装置１０、用紙排出装置２３が配置されている。

このような構成において、帯電器１６は感光装置１２の表面を一様に帯電させる。次にパソコン、イメージスキャナ等による画像、文字の情報を露光手段２０によりドット単位で露光が行われ、感光装置１２の表面に静電潜像を形成させる。
その後、静電潜像は、現像装置１９Ｋ、１９Ｙ、１９Ｍ、１９Ｃのいずれかによりトナーが供給、現像されることにより、トナー像として可視化され、第一転写位置Ｔ１へ搬送される。第一転写位置Ｔ１では、図示しない電源から供給される感光装置１２と中間転写装置１１との電位差により、トナー像が中間転写装置１１の表面へ転写される。第一転写位置Ｔ１を通過した後、感光装置１２の表面は残像除去手段１８による光照射で電位を一定以下に落とされ、静電潜像が消去され、また、感光体清掃手段１７により第一転写位置Ｔ１にて転写されずに残留した表面の残トナーが清掃され、次のトナー像の形成が可能な状態になる。上記工程を各現像装置１９Ｋ〜１９Ｃにより必要数繰返すことにより、中間転写装置１１の表面には、画像、文字の情報に見合うトナー像が形成される。その後、トナー像は第二転写位置Ｔ２で転写装置１３によって、用紙供給装置２２により用紙保持手段２１から供給された用紙に転写される。トナー像を転写された用紙は、用紙剥離手段１４により中間転写装置１１より剥離され、定着装置１０に運ばれ、トナー像を用紙に定着し、用紙排出装置２３にて排出される。
次に、本発明の電子写真装置における定着器について、その概略断面を示す図１を用いて説明する。定着装置は、加熱ローラ１、加圧ベルト２、入口ガイド３、剥離ガイド４、側板３０から構成される。加熱ローラ１は、厚さ１ｍｍのパイプ状のアルミ芯金１ａの上に、厚さ０.８ｍｍ、ＪＩＳ硬度２０度のシリコーンゴム層１ｂで被覆された外径φ４０．４の弾性ローラであり、その表面にはトナーとの離型性を確保するため厚さ３０μｍのＰＦＡ（四弗化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）が被覆されている。また、内部にはヒータ５を有しており、この熱によってトナーを溶融する。また、加熱ローラ１は、後述する転がり軸受けにより、側板３０に回転支持されており、図示していないギヤにより矢印Ａ方向へ回転する。
加圧ベルト２は、厚さ８０μｍ、内径φ３０のシームレスのポリイミドベルトであり、その表面にはトナーとの離径性を確保するため、厚さ３０μｍのＰＦＡがコートされている。また、加圧ベルト２は、加圧部材６a、６ｂおよび加圧ローラ６ｃからなる加圧手段６によって懸架され、加圧アーム７と加圧バネ８によって加熱ローラ１に巻付き角度θで当接し、トナー９を溶融するための接触部ｈを形成している。また、加熱ローラ１の周囲には、加熱ローラ１の表面温度を高精度に検知してヒータ５の発熱を制御するために、接触式サーミスタ３１が加熱ローラ１の通紙部に配置されている。

この構成により、未定着のトナー９が転写された用紙３２は、矢印Ｂ方向へ搬送され、加熱ローラ1と接触部ｈで当接し、そこでトナー９が用紙に溶融定着されたのち、剥離ガイド４により加熱ローラ１から剥離されて排出される。
次に、本発明に係わる加熱ローラ１と接触サーミスタ３１との接触状態について、加熱ローラ１の長手方向の拡大断面図である図３を用いて説明する。加熱ローラ１は、前述したように、厚さ１ｍｍのパイプ状のアルミ芯金１ａの上に、厚さ０.８ｍｍ、ＪＩＳ硬度２０度のシリコーンゴム層１ｂで被覆された外径φ４０．４の弾性ローラであり、その表面にはトナーとの離型性を確保するため厚さ３０μｍのＰＦＡ１ｃが被覆されている。また、その表面粗さは、接触式サーミスタとの摺動による傷あるいは磨耗による用紙の画像欠陥を防止するために、平均粗さＲａが０．０５μｍ〜０．１３μｍの範囲、好ましくは０．０７μｍ〜０．１μｍとしている。その理由については、後述する。接触式サーミスタ３１は、加熱ローラ１の表面温度を高精度に検知するため、用紙が通過する通紙幅Ｌのほぼ中央に配置している。また、その構成は、厚さ０．１ｍｍのステンレス板３１ａの片側に温度を検知する抵抗素子３１ｂが形成された株式会社芝浦電子製ボードセンサＰＴ７Ｓ−３１２を使用し、加熱ローラ１の表層１ｃと接する面には、ＰＦＡ層を有する厚さ０．０８ｍｍで、加熱ローラ１と接触する面の平均粗さＲａが０．２μｍ以下、好ましくは０．１５μｍ以下となるフッ素樹脂フィルム３１ｃを接着した構成としている。フッ素樹脂フィルム３１ｃの端面は、そのエッジによって加熱ローラ１が傷ついたり、トナーが端面に蓄積しないよう、加熱ローラ１の稜線に対して、少なくとも５°以上、好ましくは１０°〜６０°の角度φを保つようステンレス板３１ａによって保持されている。さらに、図４に示す接触サーミスタの斜視図のように、加熱ローラと接するフッ素樹脂フィルム３１ｃが加熱ローラ１との摺動によってステンレス板３１ａから剥がれ落ちないよう、もう１枚のフィルム３１ｃを用いることで、抵抗素子３１ｂおよびステンレス板３１ａをはさみ込むよう、両側から張り合わせる構成としている。

なお、本実施例では、両側のフッ素樹脂フィルム３１ｃとも株式会社寺岡製作所製のＰＦＡ粘着テープＮｏ．８１３を用いたが、加熱ローラ１と反対面側すなわち抵抗素子３１ｂ側のフィルムは加熱ローラと接触しないため、特に同じ材質にする必要は無い。但し、その場合、抵抗素子３１ｂ側のフィルムは、加熱ローラ側のフッ素樹脂フィルムの線膨張係数と同等以下で、その差が４×１０^−５／℃以内である線膨張係数にする必要がある。なぜなら、加熱ローラ側のフッ素樹脂フィルムよりも線膨張が大きいと、抵抗素子３１ｃ側のフッ素樹脂フィルムが加熱ローラ側よりも伸びてしまい、その結果、加熱ローラ側のフッ素樹脂フィルムの端面が加熱ローラに当接する方向へ変形するからである。

また、本実施例では２枚のフィルムを張り合わせた構成としているが、図５に示すように、熱収縮のＰＦＡチューブ３１ｄを接触サーミスタ３１の金属板３１ａに挿入する構成であっても構わない。

以上から、本構成により、抵抗素子３１ｂが、厚さ０．０８ｍｍの薄いフッ素樹脂フィルムと熱伝導性のよいステンレス製の板を介して、加熱ローラの通紙部と接触するため、加熱ローラにおける通紙部の温度を応答性よく検知することが可能となる。また、加熱ローラ１の表面を厚さ３０μｍのＰＦＡ樹脂でその平均粗さＲａが０．０５μｍ〜０．１３μｍとするとともに、接触サーミスタ表面に厚さ０．０８ｍｍでその平均粗さＲａを０．２μｍ以下とすることで、加熱ローラにおける接触式サーミスタとの摺動による傷や磨耗に起因する用紙の画像欠陥を防止するができる。

次に、加熱ローラ表面の傷つき防止について説明する。
接触式サーミスタとの摺動に起因する加熱ローラ表面の傷は、接触荷重、表面粗さ、硬度が大きく関与する。そこで、これらパラメータについて、評価検討した結果を以下述べる。但し、接触式サーミスタの接触荷重は、接触サーミスタの取り付け寸法のばらつきや温度検知の熱応答性から、ある一定以上必要であり、本実施例では５ｇとした。

表１は、図３において接触サーミスタ表面の所フッ素樹脂層３１ｃの各種材質、厚さ、硬度、表面粗さに対して実印字試験を行ったときの加熱ローラおよびサーミスタ表面状態について評価した結果を表す表である。

表１中のＮｏ．２とＮｏ．４は、図３に示したフッ素樹脂フィルム３１ｃの替わりに、ステンレス板３１ａの表面に直接コーティングによる被膜を施したものであり、Ｎｏ．５は何も施さずにステンレス板３１ａを直接加熱ローラへ当接した場合である。表中の表面材質硬度は、マイクロビッカース硬度計にて荷重１０ｇ、１５ｓｅｃの条件で測定した硬度である。加熱ローラ表面粗さは、実印字試験後、加熱ローラにおける接触サーミスタとの摺動部の表面粗さを測定したものである。なお、初期の加熱ローラの表面粗さＲａは０．０３μｍ程度である。サーミスタのトナー付着は、実印字後のサーミスタ表面のトナー付着状態を目視にて評価したものである。画像欠陥は、実印字後、坪量１６０ｇ／ｍ^２、平滑度３０秒の厚紙（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＰａｐｅｒ社製、Ｓｐｒｉｎｇｈｉｌｌ−９０ｌｂ）にて、全面ブルーベタを印字し、接触サーミスタとの摺動部に対応する部分の光沢が、容易に目視にて判別できる場合を×、注力しないと判別できないレベルを○としている。なお、表３の実印字試験の条件は、Ｘｅｒｏｘ用紙４０２４−２４ｌｂを用いて、全面ブルーのベタ画像を２５０枚印字で行ったものである。

上記の表３の結果から、加熱ローラの表面傷を抑えるためには、接触式サーミスタの表面材質は、軟らかくて表面が平滑なほど良いことがわかる。画像欠陥の評価結果をみると、通紙後における加熱ローラの表面粗さＲａが約０．１４μｍ以下であれば実用上問題ないことから、接触サーミスタの表面粗さＲａは０．２μｍ以下、好ましくは０．１５μｍ以下が良いことがわかる。さらに、加熱ローラ表層のＰＦＡチューブがマイクロビッカース硬度計にて４Ｈｖ程度であることから、接触式サーミスタ表面の硬度はそれ以下がよく、表３に示した加熱ローラ表面粗さの結果から、ＰＦＡテープもしくはＰＴＦＥテープがよい。一方、サーミスタ表面のトナー付着量の結果をみると、ＰＦＡテープがもっとも少なく、トナーとの離型性に優れていることがわかる。したがって、同じＰＦＡ材質であってもＰＦＡテープの方がコート品よりも加熱ローラへの傷つきやトナー離型性が勝っていることから、接触式サーミスタの表面材質は、表面粗さが滑らかであり、さらにある程度の厚さを有することで硬度が軟らかいＰＦＡテープが、接触式サーミスタに適していることがわかった。

表２に、接触式サーミスタの表面材質をＰＦＡテープとし、加熱ローラ表層のＰＦＡチューブの表面粗さを替えたときの実印字試験の結果を示す。なお、実印字試験の条件は、Ｘｅｒｏｘ用紙４０２４−２４ｌｂを用いて、黒化率５％の黒画像を印字したものである。

表２中の加熱ローラの表面粗さは実印字試験前の初期状態の平均粗さである。また、光沢スジは表１と同様に、実印字後、坪量１６０ｇ／ｍ^２、平滑度３０秒の厚紙（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＰａｐｅｒ社製、Ｓｐｒｉｎｇｈｉｌｌ−９０ｌｂ）にて、全面ブルーベタを印字し、接触サーミスタとの摺動部に対応する部分の光沢が、容易に目視にて判別できる場合を×、注力しないと判別できないレベルを○としている。なお（）内に示した枚数は、その光沢スジを判定した実印字枚数であり、それ以下の枚数では特に問題ないことを示している。すなわち、加熱ローラの表面粗さＲａが０．０１μｍ〜０．０４μｍ若しくは０．１６μｍ〜０．１９μｍの場合では、印字枚数２５０枚で光沢スジが容易に判別できたのに対して、Ｒａが０．０５μｍ〜０．０７μｍ、０．０７μｍ〜０．１０μｍ、０．１０μｍ〜０．１３μｍでは、印字枚数６０，０００枚でも注力しないと判別できないレベルの光沢スジであったことを表している。この結果から、加熱ローラの表面粗さは、小さくても大きくても光沢スジが顕著となり、ある範囲であれば問題ないことがわかる。これは以下によるものと考えられる。光沢スジとは、接触サーミスタと加熱ローラとの摺動部における画像と、それ以外の非摺動部における画像との光沢差で目に付く現象である。したがって、加熱ローラの表面粗さが小さい、すなわち滑らかであると摺動部分が非摺動部よりも荒れてしまい、その結果、摺動部における画像の光沢度が落ちてしまって光沢スジが目立つことになる。反対に、加熱ローラの表面粗さが大きい、すなわち粗いと、接触サーミスタとの摺動によりその摺動部分が非摺動部よりも滑らかとなり、その結果、摺動部における画像の光沢性が上がり、光沢スジが顕著になる。

一方、表中のＯＨＰ画像の透過性は、実印字試験前の初期状態で、ＯＨＰ（３Ｍ社製、型番ＣＧ３７００）を用いて全面イエローのベタ画像を印字した時の透過性を評価した結果であり、加熱ローラの表面粗さとＯＨＰ画像の透過性について評価したものである。ＯＨＰの画像透過性は、加熱ローラの表面粗さに大きく起因し、表面粗さが大きくなると、すなわち表面が荒れると透過性が低下する。表２では、○は透過率が６０％以上、×は６０％未満であったことを示しており、一般に透過率が６０％以上であれば、実用上問題ない。したがって、本評価結果から、加熱ローラの表面粗さＲａが０．１３μｍ以下であれば、ＯＨＰの透過性は確保できることがわかる。

以上の結果から、加熱ローラの表面粗さは平均粗さＲａで０．０５μｍ〜０．１３μｍの範囲がよく、好ましくは０．０７μｍ〜０．１０μｍの範囲が望ましいことがわかる。

本発明に係わる定着器の概略構成図である。本発明に係わる電子写真装置の概略構成図である。本発明に係わる加熱ローラと接触サーミスタの拡大断面図である。本発明における接触サーミスタの一実施例である。本発明における接触サーミスタの別実施例である。

符号の説明

１は加熱ローラ、１ａはアルミ芯金、１ｂはシリコーンゴム、１ｃはＰＦＡ樹脂、
２は加圧ベルト、３は入り口ガイド、４は剥離ガイド、５はヒータ、６は加圧手段、７は加圧アーム、８は加圧バネ、９はトナー、１０は定着装置、１１は中間転写、１２は感光装置、１３は転写装置、１４は用紙剥離手段、１５は中間転写装置清掃手段、１６は帯電器、１７は感光体清掃手段、１８は残像除去手段、１９Ｋ、１９Ｙ、１９Ｍ、１９Ｃは現像器、２０は露光手段、２１は用紙保持手段、２２は用紙供給装置、２３は用紙排出装置、３０は側板、３１はサーミスタ、３１ａは金属板、３１ｂは抵抗素子、３１ｃはフッ素樹脂フィルム、３２は用紙である。

Claims

円筒状芯金の内部に発熱体を有し、前記円筒状芯金の周囲に形成した耐熱性とトナー離型性を兼ね備えた加熱ローラと、前記加熱ローラの表面に接触して前記加熱ローラの表面温度を検知する温度検知手段と、を備えた定着装置において、前記加熱ローラは、表面がＰＦＡ（四弗化エチレンパーフロロアルコキシレン共重合体）樹脂で被覆され、前記温度検知手段は、フィルムを介して前記加熱ローラに接触する１枚の金属板と、前記金属板の前記加熱ローラと反対側に設けられた温度検知素子とを、前記金属板の前記加熱ローラ側と前記温度検知素子側の両側から挟み込むように前記フィルムを張り合わせて構成され、少なくとも前記加熱ローラ側の前記フィルムをフッ素樹脂フィルムとするとともに、前記フッ素樹脂フィルムの幅を前記金属板よりも広く、且つ前記フッ素樹脂フィルムの端部と前記加熱ローラの軸方向の稜線とがなす角度を５°以上とすることを特徴とする電子写真装置の定着装置。
前記ＰＦＡ樹脂の表面粗さＲａは０．０５μｍ〜０．１３μｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載の電子写真装置の定着装置。
前記フッ素樹脂フィルムの端部と前記加熱ローラの軸方向の稜線とがなす角度が１０°〜６０°であることを特徴とする請求項１記載の電子写真装置の定着装置。
前記フッ素樹脂フィルムと、前記温度検知素子側のフィルムとの線膨張係数の差が４×１０ ^―５／℃以内であり、且つ前記フッ素樹脂フィルムの線膨張係数が大きいことを特徴とする請求項１記載の電子写真装置の定着装置。
前記フッ素樹脂フィルムの表面粗さＲａが０．２μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の電子写真装置の定着装置。
前記温度検知手段の前記加熱ローラと接触する部分の前記フッ素樹脂フィルムの硬度は、マイクロビッカース硬度計にて、前記加熱ローラ表面のＰＦＡ樹脂の硬度よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の電子写真装置の定着装置。