JPH077233B2 - 加熱定着装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は，電子写真装置若しくは静電印刷装置等の画像
形成装置において，紙その他の担持体上に形成したトナ
ー像を，少なくとも一方に加熱手段を備え，かつ相互に
圧接状態で回転する一対のロール間において定着させる
加熱定着装置に関するものであり，特に封筒のような複
数重の担持体であってもしわを発生させることなくトナ
ー像を定着させ得るように改良した加熱定着装置に関す
るものである。

〔従来の技術〕

画像形成装置における定着装置としては，内部に赤外線
ランプ，ハロゲンランプ若しくはニクロム線等の熱源を
設けた良熱伝導性の金属コアの表面に，非粘着性の耐熱
層を被覆してなる加熱ロールと，表面に耐熱弾性体層を
被覆してなる加圧ロールとを対向配設した熱ロール型の
加熱定着装置が知られている。

上記の加熱定着装置において，担持体上に形成したトナ
ー像を定着する場合には，まず熱源に給電して加熱ロー
ルの表面を定着に必要な温度に加熱し，加熱ロールと加
圧ロールとを適宜の圧力で圧接させて回転させ，トナー
像を担持した担持体を両ロール間に通過させれば，トナ
ー像を担持体上に定着することができるのである。

このような加熱定着装置においては，良質の定着画像を
得る上でオフセットが発生しないことと，担持体にしわ
が生じないことが特に重要である。

オフセットを防止するために，ポリテトラフルオロエチ
レン（PTFE），パーフルオロアルコキシ−テトラフルオ
ロエチレン共重合体（PFA）などの離型性の良い樹脂で
表面を被覆した加熱ロールが使用されている。ところが
このような加熱ロールは，弾性が少ないため，定着性の
点で十分とは言えず，又表面に傷が発生し易いという欠
点を有する。この欠点を除くために，ロール表面にフッ
素ゴムとフッ素樹脂の混合層を形成し，ついで焼成する
ことにより最外層にフッ素樹脂層を形成した加熱ロール
が提案されている。（u.s.p.4,568,275）。

しかるにこの加熱ロールには耐久性が劣るという問題が
ある。すなわち表面のフッ素樹脂層は数μｍの厚さしか
ないので，クリーニング部材などとの接触により数万枚
のコピーで摩耗してしまう。

そこで上記混合層の表面にフッ素樹脂層を設けた加熱ロ
ーラが提案されている（特開昭59−217010号）。

一方，紙しわの防止に関しても種々の構造が提案されて
いる。例えば実開昭54−98226号（実公昭62−15818号）
は，加熱ローラと加圧ローラを軽圧接させ，かつ両ロー
ラの圧力変形率を同一又は近似させることにより，厚手
の複写紙でも曲がりぐせやしわを防止できることを開示
している。また特開昭59−74578号は，薄手の両面コピ
ーのような悪条件下においてもしわを防ぐために，芯材
と，それを被覆する耐熱弾性体層と，その上に塗布され
たフッ素樹脂層よりなるローラを，加熱ローラと加圧ロ
ーラの両方に用いることを開示している。

ところで，多数の封筒に宛名を書く手段として，プリン
ターにより直接封筒に印字することが検討されている。
ここで問題となるのは，トナー像を担持した封筒を上述
した加熱定着装置に給送してトナー像を定着する場合に
しわが発生することである。封筒にしわが発生すると，
封筒が湾曲若しくは変形するのみでなく，印刷した宛名
がしわによって分断され，極端な場合には解読若しくは
判読することができない等の問題点がある。すなわち，
封筒は構成上最低二枚重ね部があり，糊付け部若しくは
重ね合わせ部によっては三重，四重となり，最大紙厚寸
法が厚くなると共に，二枚重ね部においては相互に滑り
移動を発生する。上記の問題はこのような滑り移動に起
因する特有の現象であり，通常の複写の場合には経験さ
れない問題点である。この対策として，封筒定着の場
合，定着圧力を普通紙の定着に適する定着圧力よりも低
くする等の手段が提案されている（特開昭61−294475
号）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

封筒の上に形成されたトナー像を定着する場合，上述し
た従来の技術では十分満足すべき結果，すなわち，良好
な定着性を確保しつつしわを防止することはできない。
すなわち，特開昭61−294475号公報記載の発明による
と，しわを防止することは可能であるが，定着圧力が低
くなるので良好な定着性は得られない。また実開昭54−
98226号記載の考案もまた，両ローラの圧接部の変形量
を等しくもしくは近似させるために，両ローラを「軽圧
接」させる構造としているため，十分なる定着性が得ら
れないという問題を伴う。更に特開昭59−74548号公報
記載の装置は，加熱ローラの弾性体層と加圧ローラの弾
性体層の厚さが異なるので，略平面上のニップが形成さ
れず，封筒上のトナー像を定着するような過酷な条件下
ではしわ防止作用を期待することはできない。

本発明は上記従来技術に存在する問題点を解消し，例え
ば封筒等のように複数重で構成される担持体であっても
しわを発生することなく，良質の定着トナー像を得るこ
とのできる加熱定着装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記従来技術に存在する問題点を解決するために，本発
明においては，担持体上のトナー像と接する加熱ロール
と，この加熱ロールとの間にニップを形成するように圧
接してなる加圧ロールとを有する加熱定着装置におい
て，前記加熱ロールおよび加圧ロールを，芯金の周囲に
耐熱性を有する弾性体層と離型性を有する樹脂表面層と
を設け，かつ実質的に同一の外径に形成すると共に，前
記加熱ロールおよび加圧ロールの表面硬度をHs85゜以下
にかつ両ロールの表面硬度差をHs10゜以内とし，前記加
熱ロールの弾性体層を熱伝導率0.2×10^-3cal/cm・sec・
℃以上の材料により厚さ１〜2mmに形成し，前記加熱ロ
ールと加圧ロールとを0.8〜2.0kg/cmの線圧で圧接する
ことにより，前記ニップを略平坦になるように形成す
る，という技術的手段を採用したのである。

〔作用〕

上記の構成により，加熱定着装置を構成する加圧ロール
と加熱ロールとの間のニップ部，すなわちトナー像担持
体の通過部を略平面となし得ることにより，トナー像担
持体にしわが発生するのを防止する作用があると考えら
れる。

またニップの形状を略平面とすることにより，定着後の
担持体が加熱ロール表面に巻きつくのを防止する作用も
期待できる。これにより分離爪が不要となり，分離爪と
ロール表面との接触に基因するロール表面の損傷は解消
される。

〔実施例〕

以下本発明の詳細を添付図面に基づいて説明する。

まず本発明の基本構成を従来例と対比しつつ記述する。

第１図および第３図は各々本発明および従来の加圧ロー
ルと加熱ロールとの圧接状態の説明図である。両図にお
いて,1,2は各々加圧ロールおよび加熱ロールであり，軸
線を略平行にかつ矢印方向に回転自在に形成すると共
に，両ロールを圧接状態に配設してある。そして従来の
ものにおいては，例えば加圧ロール１はアルミニウム合
金，鉄等の熱伝導性良好なる材料からなる芯金11の表面
に硬度Hs25〜55゜程度のシリコーンゴムからなる耐熱弾
性体層12を被覆し，一方加熱ロール２は熱源23を内蔵し
た熱伝導性良好なる材料からなる芯金21の表面に４フッ
化エチレン樹脂（PTFE），パーフルオロアルコキシ樹脂
（PFA）等の低表面エネルギーの樹脂からなる耐熱離型
性層24を被覆して形成してある。従って両ロールの弾性
の差により第３図に示すように加圧ロール１と加熱ロー
ル２とのニップ部３においては，加圧ロール１の表面は
弾性変形して凹面を形成している。このためトナー像を
担持する紙等の担持体（図示せず）を矢印Ａ方向に供給
すると，担持体はまずニップ部３の入口3aにおいて上方
を凹として曲げられ，次いでニップ部３において下方を
凹として曲げられ，更にニップ部３の出口3bにおいて再
び上方を凹として曲げられるのである。一方前記担持体
が封筒のように二重若しくはそれ以上の重合部を有する
場合には，上記ニップ部３における繰り返し曲げ作用に
よって上下構成部分間に滑り移動を生じ，または紙厚差
に起因する移動速度差によっても封筒の上下部に速度差
を生じ，しわを発生するものと推定される。これに対し
て本発明のものは，例えば加圧ロール１の芯金11および
加熱ロール２の芯金21の表面に実質的に同一材質かつ同
一厚さの耐熱弾性体層12および22を形成し，両者の表面
硬度を硬度差Hs15゜以内になるように構成したものであ
るから，第１図に示すようにニップ部３は略平面とな
り，トナー像の担持体が通過しても曲げ作用を与えない
と共に，担持体の上下移動速度を略同一にするという作
用がある。

上記の作用を確認するために次のような実験を行った。

第１図において，加圧ロール１および加熱ロール２を各
々アルミニウム合金製の芯金11,21の外方に,HTVシリコ
ーンゴム若しくはパーフルオロアルコキシ（PFA）樹脂
を被覆して外径31mmに形成し，圧力1.2kg/cmにて圧接さ
せて定着を行った。定着速度は160mm/秒，定着温度は18
0℃であった。この場合において，シリコーンゴムの硬
度を種々変化させて組み合わせると共に,PFA樹脂を被覆
させたロールとの組み合わせにより，トナー像担持体と
して封筒を使用し，各組み合わせ毎に100枚の封筒を生
ずるしわの状態を評価した。この結果を第４図に示す。
この場合ロールの表面硬度（Ａ形スプリング硬度:JIS K
6301）は，市販の硬度計（高分子計器製，型式JA）に
よって測定した値である。第４図から明らかなように，
加圧ロールと加熱ロールの硬度差がない場合には，封筒
には全くしわが発生しない。これに反して上記両ロール
の硬度差が大である場合には，殆どしわが発生して封筒
が変形する。すなわち上記硬度差がHs15゜以内（平行鎖
線の範囲内），好ましくはHs10゜以内（平行実線の範囲
内）であれば，前記第３図に示すようなニップ部３の凹
面を回避することができる。この場合において，加圧ロ
ールおよび／または加熱ロールの硬度がHs85゜を越えた
ものにおいては，紙しわの発生はないものの，ニップ幅
（第１図におけるＷ）が不足するため定着性が不充分で
ある、一方ニップ幅を確保するために定着圧力を増大さ
せると，熱と圧力とに依存するゴム若しくは樹脂の塑性
変形が大となり，両ローラの寿命低下の原因を誘発する
結果となる。

また第５図は，加圧ロールおよび加熱ロールの外径を種
々変化させて組み合わせた場合におけるトナー像担持体
のしわ発生状態を示す図であり，前記第４図に示す場合
と同一定着条件によったものである。第５図から明らか
なように，加圧ロールと加熱ロールとの外径差がない場
合には，トナー像担持体としての封筒には全くしわの発
生が認められない。これに対して上記両ロール間の外径
差が大である場合には，殆どしわが発生して封筒が変形
する。すなわち上記外径差が5mm以内（平行鎖線の範囲
内），好ましくは2mm以内（平行実線の範囲内）であれ
ば，封筒にしわが発生することを回避することができ
る。特に両ロールの外径寸法を実質的に同一に形成する
と極めて良好な結果が得られる。

上述した通り，加熱ロールと加圧ロールとを，両ロール
間に形成されるニップが略平面となるような表面硬度と
し，そして両ロールの外径をできるだけ近づけることに
より，封筒にしわが発生するのを防止することが可能と
なる。

しかるに第１図の構造をそのまま実機に適用すると，オ
フセットの発生という問題を生ずる。この問題を解決す
るための構造を第２図に示す。

第２図においては，加圧ロール１の芯金11の表面に形成
した耐熱弾性体層12の表面に，更に前述したフッ素樹脂
等からなる離型性樹脂層14を形成し，又加熱ロール２の
芯金21の表面に形成した耐熱弾性体層22の表面に，更に
離型性樹脂層24を形成してある。加熱ロール２の外表面
は離型性樹脂層であるので，オフセットの発生を防止す
ることができる。また加圧ロール１の外表面も離型性樹
脂層であるので，両ロールの表面硬度を揃えることが可
能となり，しわを防止することができる。離型性樹脂層
の厚さは10〜50μｍ位でよい。

第２図の装置により，良好な定着を行うためには次のよ
うな条件も考慮することが必要である。

第３図に示す従来の装置では，加圧ロールは弾性変形し
易い構造となっているので，両ロール間の接触圧力が線
圧で1kg/cm位であれば，良好な定着性が得られるニップ
幅（通常３〜5mmである）を確保することができる。た
だしこの装置では,0.1〜0.2kg/cmの線圧でも封筒にしわ
が発生してしまうので，実用に供し得ない。

一方第２図の装置では，加圧ロールは従来よりも剛性が
大きいので，上記のニップ幅を確保するために従来より
も大きな接触圧力が生ずるように両ロールを圧接するこ
とが必要である。具体的な条件としては，両ロール間の
接触圧力を線圧で0.8kg/cm以上とすることが望ましく，
より好ましくは1.2kg/cm以上である。ただし線圧が大き
すぎると，この構造ではゴムの塑性変形による寿命低下
にもつながるため,2.0kg/cm以下がよい。特に100mm/sec
以上の定着速度において良好な定着性を確保するために
は，線圧を1.2kg/cm以上とする必要がある。

本発明の目的を達成するためのロールに関する条件とし
ては次のことも挙げられる。加圧ロールおよび加熱ロー
ルの表面硬度がHs85゜を越えると，所定の圧接力を印加
しても所定のニップ幅を確保できないため不都合であ
る。好ましい表面硬度は80゜以下である。この場合圧接
力を増大させてニップ幅を確保しても，トナー像担持体
の変形を惹起し，寿命の低下，しわその他の不本意な現
象を生ずるため好ましくない。

次に加熱ロールに設けた耐熱弾性体層の厚さが1mm未満
であると，弾性体としての効果が弱まり，ロール表面を
所定の硬度にかつ均一に保持することが困難となるため
不都合である。一方上記厚さが2mmを越えると，加熱ロ
ール各部の温度分布が不均一となるのみならず，熱伝導
を阻害するため非通紙部である両端部を過熱させる等，
不測の事故を惹起させるため好ましくない。

また更に加熱ロールに設けた弾性体層を構成する材料の
熱伝導率が0.2×10^-3cal/cm・sec・℃未満であると，加
熱ロール内における熱伝導作用が不充分となり，温度分
布を不均一にするのみならず，局部加熱を惹起するため
不都合である。より好ましい熱伝導率は0.6×10^-3cal/c
m・sec・℃以上である。但し，熱伝導率を1.5×10^-3cal
/cm・sec・℃より大きくするためには，弾性体層中に大
量の良熱伝導物質，例えばカーボンブラック，酸化チタ
ンなどの金属酸化物等を混入する必要がある。しかし上
記良熱伝導物質の混入の結果は，一方において硬度がHs
80゜より大となり，充分なニップ幅を確保できなくな
る。従って熱伝導率は1.5×10^-3cal/cm・sec・℃以下と
するのがよい。

本発明の装置は，上述したことに加えて，次の点で従来
のものと大きく異なっている。

通常の加熱ロール型定着装置においては，ニップは第３
図に示す形状となるので，ニップを通過後の担持体は加
熱ロールに巻き付く傾向がある。これの対策として，従
来から加熱ロールに分離爪を接触させることが行われて
いる。しかるに分離爪の使用により，加熱ロール表面が
損傷してロール寿命が短くなるほか，長時間の使用にお
いて分離爪自体が熱により変質・変形して分離機能が低
下するので爪の交換も必要となる。

これに対して本発明の装置においては，ニップは第２図
に示すような略平坦な形状となるので，ニップを通過後
の担持体は加熱ロールに巻き付くことなしに定着装置外
に排出される。すなわち本発明の装置は，分離爪を用い
るまでもなく，両ロールがニップ通過の担持体を加熱ロ
ールから分離する機能をも具備しているものである。

本発明は，上記実施例に限らず，次のような変形も可能
である。すなわち，加熱ロールおよび加圧ロールの弾性
体層はシリコーンゴムに限らず，公知の他の材料，例え
ばフッ素ゴム又はフッ素ゴムとフッ素樹脂との混合物で
あってもよい。また弾性体層を２層とする，例えばシリ
コーンゴム層の上にフッ素ゴム層（フッ素樹脂を含んで
いてもよい）を形成してもよい。このような構造は価格
的には不利であるが，ロールの強度的な面では有利であ
る。すなわち芯金の表面にシリコーンゴム層を形成しそ
の上にフッ素樹脂含有フッ素ゴム層を形成し次いで焼成
した後に，表面フッ素樹脂層を形成すると，フッ素ゴム
層の表面にはフッ素樹脂層が現出しているので，表面フ
ッ素樹脂層の剥離は生じにくくなる。

〔発明の効果〕

本発明は，以上記述のような構成および作用であるか
ら，例えば封筒のように複数重で構成されるトナー像担
持体であってもしわを発生することなく，正常かつ画質
の良好なるトナー像を定着させることができるという効
果がある。また特に，加熱ロールと加圧ロールを共に芯
金上に耐熱弾性体層および耐熱離型性層または離型性樹
脂層を形成したロール構造とすることにより，しわを発
生することなく封筒のような担持体上のトナー像を高速
条件下においても良好に定着することができる。また分
離爪を用いずとも担持体の加熱ロールへの巻き付けを防
止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を説明するための加圧ロールと加
熱ロールとの圧接状態を示す図，第２図は本発明の一実
施例に係る加熱定着装置の断面図，第３図は従来のもの
における圧接状態の説明図，第４図は第１図における加
圧ロールおよび加熱ロールの各表面硬度を変化させた場
合における封筒のしわ発生状態を示す図，第５図は同加
圧ロールおよび加熱ロールの各外径を変化させた場合に
おける封筒のしわ発生状態を示す図である。 1:加圧ロール,2:加熱ロール,3:ニップ部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】担持体上のトナー像と接する加熱ロール
   と，この加熱ロールとの間にニップを形成するように圧
   接してなる加圧ロールとを有する加熱定着装置におい
   て，前記加熱ロールおよび加圧ロールを，芯金の周囲に
   耐熱性を有する弾性体層と離型性を有する樹脂表面層と
   を設け，かつ実質的に同一の外径に形成すると共に，前
   記加熱ロールおよび加圧ロールの表面硬度をHs85゜以下
   にかつ両ロールの表面硬度差をHs10゜以内とし，前記加
   熱ロールの弾性体層を熱伝導率0.2×10^-3cal/cm・sec・
   ℃以上の材料により厚さ１〜2mmに形成し，前記加熱ロ
   ールと加圧ロールとを0.8〜2.0kg/cmの線圧で圧接する
   ことにより，前記ニップを略平坦になるように形成した
   ことを特徴とする加熱定着装置。