JP2006119510A - 定着装置とクリーニング装置、及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な耐熱性と離型性に加え、耐摩耗性・耐摩擦性を高めることで、長寿命化を達成する。
【解決手段】定着装置７は、ヒータ２１を内蔵した加熱ローラ７Ａに加圧ローラ７Ｂを押し当ててニップ部を形成し、このニップ部を形成した状態で加熱ローラ７Ａと加圧ローラ７Ｂを回転させ、このニップ部にトナー像が転写されたシート状のシート材を送り込み、このシート材をニップ部で加熱・加圧してトナー像を定着させるものであり、この加熱ローラ７Ａにおけるシート材との接触面にＤＬＣ膜２２を形成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置と、この画像形成装置に用いられる定着装置と、この定着装置の加熱ローラをクリーニングするクリーニング装置に関する。

従来、複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置は、画像形成部を有し、この画像形成部で給紙トレイから送り出されたシート材にトナー画像を形成（転写）し、そのトナー画像が転写されたシート材を定着部において加熱・加圧し、シート材にトナー像を定着させるようになっている。

このような画像形成装置の定着装置において、加熱ローラの表面（シート材との接触面）には、耐熱性とシート材との離型性の観点からＰＦＡやＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂が広く用いられてきた。しかし、これらフッ素系樹脂は硬さが不十分であり、近年の電子写真プロセスの高速化や長寿命化に対し、シート材との摩擦・接触から受けるストレスにより初期の性能を長期間に亘って維持することは困難である。

より具体的には、シート材に含まれる炭酸カルシウム等の填料が、加熱ローラにおけるシート材との接触面に埋まり込んで離型性を低下させる現象が起きている。また、従来、定着装置の加熱ローラに炭素膜を用いた技術として、発熱抵抗体とフィルムとの間に炭素膜を用いて長寿命化を図ったものが提案されている（特許文献１参照）。

特開平８−３２８４０５号公報（第４頁、図１）

しかし、特許文献１の技術では、フィルムとシート材との摩擦・接触から受けるストレスに対しては効果がない。また、炭素膜を定着装置の加熱ローラの表面に用いた場合に、この加熱ローラに紙粉等が付着すると、この紙粉等が固着して加熱ローラの初期性能を維持することができなくなる。従って、加熱ローラに付着した紙粉等を掻き取るクリーニング装置を設けることができれば好都合である。

本発明は、十分な耐熱性と離型性に加え、耐摩耗性・耐摩擦性を高めることで、長寿命化を達成し得る定着装置と、この定着装置に付設されるクリーニング装置、及び画像形成装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、ヒータを内蔵した回転する加熱ローラに、トナー像が転写されたシート材を押し当てて、このシート材にトナー像を定着させる定着装置において、
前記加熱ローラにおけるシート材との接触面に炭素膜を形成したことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の定着装置において、前記炭素膜は、水素化アモルファス炭素膜、ＤＬＣ膜、又は硬質炭素膜のいずれかであることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の定着装置に付設されたクリーニング装置であって、前記加熱ローラの前記接触面に当接して該接触面の付着物を掻き取る掻き取り手段と、該掻き取り手段をシート材幅方向に移動させる移動手段と、を有することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載のクリーニング装置において、前記掻き取り手段がシート材幅方向に移動する際の移動端に設けられ、前記加熱ローラの前記接触面に対する前記掻き取り手段の傾斜方向を変更する変向部材を備えていることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項３又は４に記載のクリーニング装置において、前記掻き取り手段がシート材幅方向に移動する際の移動端の下方に設けられ、該移動端で前記掻き取り手段が掻き取った付着物を落下させて収容する受け箱を備えていることを特徴とする。

請求項６の発明の画像形成装置は、像担持体の表面に形成されたトナー像を転写手段でシート材に転写し、この転写済みのシート材を請求項１又は２に記載の定着装置に送り込むようにしたことを特徴とする。

請求項１又は２の発明によれば、高速かつ大量の印字に対して初期の性能を維持できる長寿命な定着装置を得ることができる。また、加熱ローラの表面が非常に硬いので、シート材との摩擦・接触から受けるストレスに対しても強く、長寿命化を達成することができる。更に、一般的な熱ローラでは、ＰＦＡやＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂と、心金である金属管との接着性が低いため、接着層を形成したり金属管表面を粗面化して接着性を向上する必要があるが、本発明ではその必要がないため、コスト的にも有利である。更にまた、炭素膜は薄くても長寿命であるから熱伝導が良く、省エネルギー化を達成できる。

請求項３乃至５の発明によれば、加熱ローラへのトナー等の固着を防止することができ、加熱ローラの初期性能を維持することができる。

請求項６の発明によれば、長寿命の定着装置を搭載しているので、メンテナンスの少ない画像形成装置を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳述する。
（画像形成装置の概略構成）
図１は、画像形成装置１を模式的に示した概略構成図である。この画像形成装置１は、画像形成装置本体２内にプリント用紙、プラスチックフィルム等のシート材Ｐを給紙トレイ３から送り出すピックアップローラ４と、このピックアップローラ４から送り出されたシート材Ｐをシート搬送路Ｒに沿って搬送するシート搬送部５と、このシート搬送部５によって搬送されたシート材Ｐに画像を形成する画像形成部６と、この画像形成部６によってシート材Ｐに形成された画像を定着させる定着装置７と、この定着装置７で画像が定着されたシート材Ｐを排紙トレイ８へ排出するシート排出部９と、を備えて大略構成されている。
（画像形成部の構成）
次に、画像形成部６の構成について簡単に説明する。画像形成部６は、像担持体としてのドラム型の感光体ドラム１０と、その周囲に配置された帯電器１１と、感光体ドラム１０の帯電器１１よりも回転方向下流側の位置にレーザ照射を行う露光器１２Ａ及び反射ミラー１２Ｂ等からなるスキャナユニット１２と、現像装置１３と、転写部１４と、除電器１５と、感光体ドラム１０の表面からシート材Ｐを分離させるシート分離手段１８と、トナークリーニング装置１９と、を備えて大略構成されている。

なお、感光体ドラム１０は、図示しない駆動手段によって所定のプロセススピード（周速度）で矢印方向に回転駆動される。そして、感光体ドラム１０は、帯電器１１によって表面が均一に所定の極性・電位で帯電される。

帯電後の感光体ドラム１０は、スキャナユニット１２によって静電潜像が形成される。スキャナユニット１２の露光器１２Ａは、図示しない画像処理部から入力された画像情報に基づいてＯＮ／ＯＦＦ制御されるレーザ光を発生させ、反射ミラー１２Ｂで反射させて、帯電後の感光体ドラム１０の表面に照射し、レーザ光照射部分の電荷を除去して画像情報に応じた静電潜像を形成する。

そして、感光体ドラム１０の表面に形成された静電潜像は、現像装置１３によって、電荷を有するトナーが静電的に付着されてトナー像として現像される。このトナーとしては、一般に、合成樹脂製の粉体が使用される。なお、図示しないが、スキャナユニット１２は、例えばポリゴンミラー等の各種の光学系を備えている。

こうして、感光体ドラム１０の表面に形成されたトナー像は、給紙トレイ３から供給されるシート材Ｐに転写される。給紙トレイ３内に収納されたシート材Ｐは、ピックアップローラ４や、図示しない搬送ローラや、レジストローラ対１７によって、感光体ドラム１０と転写部１４との間の転写ニップ部に供給される。この際、シート材Ｐは、レジストローラ対１７によって、感光体ドラム１０の表面に形成されているトナー像とタイミングを合わせるようにして転写ニップ部に供給される。この転写ニップ部に供給されたシート材Ｐは、転写ニップ部によって挟持搬送されながら、感光体ドラム１０の表面のトナー像が、転写部１４によって静電的に表面に転写される。

そして、トナー像が転写されたシート材Ｐは、感光体ドラム１０から分離して定着装置７に搬送される。なお、転写後のシート材Ｐが感光体ドラム１０から分離していない場合は、シート分離手段１８にて強制的に感光体ドラム１０から分離されて定着装置７へ搬送されるようになっている。また、トナー像転写後の感光体ドラム１０は、転写時にシート材Ｐに転写されないで表面に残ったトナー（残留トナー）がトナークリーニング装置１９によって除去され、次の画像形成に供される。
（定着装置の構成）
図２に示すように、定着装置７は、鉄の心金を有しヒータ（ハロゲンヒータ）２１を内蔵する加熱ローラ７Ａと、アルミの心金を有し加熱ローラ７Ａに圧接される加圧ローラ７Ｂとを備え、加熱ローラ７Ａに付着した付着物は、ローラクリーニング装置２０によって除去される。また、加熱ローラ７Ａの表面には炭素膜２２を形成している。

この炭素膜２２は、水素化アモルファス炭素膜、ＤＬＣ膜、又は硬質炭素膜のいずれかである。これらの膜は、熱伝導率が２００〜６００Ｗ／ｍ・ｋ、電気抵抗（体積抵抗率）１０^６ 〜１０^１１ Ω・ｃｍ、ビッカース硬度２０００〜５０００ｋｇ／ｍｍ^２、摩擦係数が０．２より小さい等に代表される物理的性質を有するものである。

ここで用いる水素化アモルファス炭素膜、ＤＬＣ膜、又は硬質炭素膜は、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、直流プラズマＣＶＤ法、高周波プラズマＣＶＤ法、有磁場マイクロ波プラズマＣＶＤ法、イオンビーム・スバッタ法、イオンビーム蒸着法、イオンプレーティング法、反応性プラズマ・スバッタ法、イオン注入法、レーザプラズマＣＶＤ法等により形成される。

このとき用いる原料炭素源は、含炭素ガス又は液であるメタン、エタン、プロパン、エチレン、ベンゼン、アセチレン等の炭化水素、塩化メチレン、四塩化炭素、クロロホルム、トリクロルエタン等のハロゲン化炭化水素、メチルアルコール、エチルアルコール等のアルコール類、（ＣＨ_３）２ＣＯ、（Ｃ_６Ｈ_５）２ＣＯ等のケトン類、ＣＯ、ＣＯ_２ 等のガス、及びこれらのガスにＮ_２ 、Ｈ_２、Ｏ_２、Ｈ_２Ｏ、Ａｒ等のガスを混合したものが挙げられる。固体炭素源としては、高純度のグラファイトやガラス状炭素等を用いることができる。

水素化アモルファス炭素膜或いはＤＬＣ膜は、膜中に水素を数１０原子％含有しており、この水素の含有量によって膜の性質は大きく異なる。例えば、水素を５０原子％以上含む膜は、透明で電気抵抗が高いものの、膜硬度が低く熱伝導率の低いポリマーライクな膜である。一方、水素を１０〜４５原子％含む膜は、ビッカース硬度で２０００〜５０００ｋｇ／ｍｍ^２ と非常に硬く、電気抵抗が１０^８ Ω・ｃｍより大きく、熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・ｋより大きく、摩擦係数が０．２より小さい、高熱伝導率と高絶縁性、高硬度を兼ね備えた膜である。これらの性質は、膜中に４０〜７０％存在するｓｐ３結合に由来しているものと考えられる。

本発明の実施の形態では、水素含有量が１０〜４５原子％である水素化アモルファス炭素膜やＤＬＣ膜の炭素膜２２を用いる。水素化アモルファス炭素膜とＤＬＣ膜を明確に区別することは難しい。いずれの膜も巨視的にはアモルファスで、膜中に水素を含有し、ｓｐ２結合とｓｐ３結合炭素からなり、その物理的性質も前述の通り類似している。

上述したＤＬＣ膜は、微視的に見たときダイヤモンドの結晶構造、例えば電子線回折によりダイヤモンドと特定される回折パターンを有しているものである。また、硬質炭素膜は、巨視的にはアモルファスで、膜中に水素を含有しないか、含有するとしても１原子％以下であり、ｓｐ３結合をもつ密度が２．０ｇ／ｃｍ^３ 以上の硬質な炭素膜である。

また、「中東孝浩：表面科学 Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．２，ｐｐ．１１０・１１４，２００４」で報告されているように、炭素膜は離型性にも優れていて、良好な定着画像が得られる。上記炭素膜２２を高周波プラズマＣＶＤ法により加熱ローラの表面に約２μｍ形成した。これにより、体積抵抗率１０^８ Ω・ｃｍ、ビッカース硬度で２０００ｋｇ／ｍｍ^２ 、摩擦係数が０．１８の炭素膜２２が得られた。

この実施例に対し、比較例としてＰＴＦＥを潤滑保護層とした体積抵抗率が同等の熱ローラについて以下の試験を行い、その耐久性を評価した。

その構成の断面概略を図３に示す。このときのニップ幅は約５ｍｍ、また、比較的粗悪な紙として、中国ＡＰＰ社製尖兵紙（Ａ４）を２００×１０^３枚通してその表面状態を３次元干渉顕微鏡で測定した（図３〜図６）。これによれば、図３の初期表面状態では、算術平均高さＲａ＝６．４６ｎｍ、二乗平均平方根高さＲｑ＝８．１６ｎｍ、最大断面高さＲｔ＝７１．５０ｎｍであるのに対し、図４の２００×１０^３枚の耐久後の表面状態は、算術平均高さＲａ＝１８．４９ｎｍ、二乗平均平方根高さＲｑ＝２２．７３ｎｍ、最大断面高さＲｔ＝２４２．２４ｎｍであり、初期の状態を維持している。もちろん、定着画像品質も問題がなかった。

これに対し、ＰＴＦＥを潤滑保護層とした加熱ローラの図５の初期表面状態では、算術平均高さＲａ＝２２２．８０ｎｍ、二乗平均平方根高さＲｑ＝２８７．１３ｎｍ、最大断面高さＲｔ＝５．６３μｍであり、これに対し、図６の２００×１０^３枚の耐久後の表面状態は、算術平均高さＲａ＝３８６．６１ｎｍ、二乗平均平方根高さＲｑ＝４９６．３５ｎｍ、最大断面高さＲｔ＝６．７４μｍであり、表面は初期の状態と比較して、紙の填料により荒れてしまっている。
（ローラクリーニング装置の構成）
図７乃至図９において、図７はローラクリーニング装置２０の正面図、図８はその平面図、図９はその側面図である。

これら図７乃至図９に示すように、加熱ローラ７Ａを支持している支持フレーム２３に、加熱ローラ７Ａと平行に移動手段としてのスパイラル軸２４が取り付けられ、このスパイラル軸２４の軸方向の一端には、被駆動ギヤ２５が固定されている。また、スパイラル軸２４には、移動体２６が軸方向に移動自在に係合している。この移動体２６には、スクレーパ取付体２７の取付軸２９に、ローラ軸と直交するように掻き取り手段としてのスクレーパ２８が取り付けられている。これにより、スクレーパ２８は取付軸２９を中心として軸方向（通紙幅方向）の向きを変えることができる。また、支持フレーム２３の通紙幅方向の両端側には、フォトセンサ３４が設けられていて、このフォトセンサ３４は、移動体２６に固定された検知板２６ａを検知する。なお、図７の二点鎖線は、シート材の最大通紙幅を示している。

更に、図１０に示すように、スクレーパ取付体２７には、断面コ字状のブレードホルダー３０が取り付けられていて、このブレードホルダー３０は、通紙幅方向の両側部に折曲片３０ａ、３０ａ及び中央上部に突起３０ｂを有し、ブレードホルダー３０の中央下部にはブレード３１が固定されている。このブレード３１は、加熱ローラ７Ａから掻き取られたトナー等が、加熱ローラ７Ａの回転方向に沿って落下しないようにしている。また、支持フレーム２３の通紙幅方向の両端側には、スクレーパ変向板３２が取り付けられている。そして、このスクレーパ変向板３２にスクレーパ２８が当接すると、このスクレーパ２８は通紙幅方向の向きが変更するが、この変更に連動して、ブレードホルダー３０も通紙幅方向に突出移動する。

図１１（ａ）（ｂ）及び図１２（ａ）（ｂ）は、ブレードホルダー３０が通紙幅方向の端部において通紙幅方向に突出移動する状態を示す図である。

図１１（ａ）において、スクレーパ取付体２７は、内側板１２７と外側板１２８を有し、内側板１２７は取付軸２９を介してスクレーパ２８を支持している。また、外側板１２８は、突起３０ｂを嵌入する凹部２７ａを介してブレードホルダー３０を支持している。このブレードホルダー３０は、外側板１２８に形成された凹部２７ａに突起３０ｂを嵌入した状態で、通紙幅方向に移動可能となっている。なお、外側板１２８に凹部２７ａを形成する代わりに、図１１（ｂ）に示すように、外側板１２８に、突起３０ｂが嵌入可能な穴２７ｂを設けても良い。

そして、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、スパイラル軸２４に沿って移動体２６が通紙幅方向に移動したとき、通紙幅方向の端部において、ブレードホルダー３０の一方の折曲片３０ａがスクレーパ変向板３２に当接する。すると、スクレーパ取付体２７の凹部２７ａに対し、ブレードホルダー３０及びブレード３１が突起３０ｂを介して一体的に通紙幅方向に移動する。このときに、ブレード３１に保持された掻き取り物が落下する。また、加熱ローラ７Ａの最大通紙幅の両外側の下方には、掻き取り物を収容する受け箱３３が設けられている。このため、ブレード３１に保持された掻き取り物は、通紙幅方向の端部において落下して受け箱３３に収容される。
（ローラクリーニング装置の動作）
ローラクリーニング装置２０によるクリーニング動作は、マシン立ち上げ時、又は待機中、或いは電源ＯＦＦ時等に行うことができる。また、コピー中はローラクリーニングすることが難しいので、退避位置に移動させておくことも可能である。

図７において、加熱ローラ７Ａのクリーニング動作時は、加熱ローラ７Ａを図９の矢印方向にゆっくり回転させながら、スパイラル軸２４を回転させることにより、加熱ローラ７Ａの軸方向左右にスクレーパ２８を移動させて掻き取る。このスクレーパ２８は、加熱ローラ７Ａのローラ軸に直交するように設けられていて、加熱ローラ７Ａの表面に付着したトナー等を掻き取る。スクレーパ２８で掻き取った物は、途中で落下しないようにブレード３１で保持し、通紙幅方向の両側端部の下方に設けられた受け箱３３に収容するようになっている。

また、図７に示すように、通紙幅方向の両側端部において、スクレーパ２８の傾斜方向を変更できるようになっていて、例えばスクレーパ２８を通紙幅方向の左端側から右端側に移動させる際、スクレーパ２８が通紙幅方向の右端側にくると、フォトセンサ３４が検知板２６ａを検知する。この位置で、スクレーパ２８はスクレーパ変向板３２に当接して、取付軸２９を中心として傾斜方向が通紙幅方向の左方に変更する。これと同時に、図１２（ａ）に示すように、スクレーパ変向板３２にブレードホルダー３０の折曲片３０ａが当接して、ブレードホルダー３０（及びブレード３１）は、スクレーパ取付体２７に対して通紙幅方向の左方側に相対移動する。

次に、この状態から、スパイラル軸２４を反対方向に回転させる。すると、スクレーパ２８は通紙幅方向の右端側から左端側に折り返し移動する。この場合、スクレーパ２８の傾斜方向は、該スクレーパ２８を通紙幅方向の左端側から右端側に移動させる際と逆になっている。こうすることが、加熱ローラ７Ａの表面に付着したトナー等を確実に掻き取ることができるからである。また、スクレーパ２８で掻き取った物が、途中で落下しないように保持するブレード３１の位置も、スクレーパ２８を左端側から右端側に移動させる際と逆の位置に移動する。

そして、スクレーパ２８が通紙幅方向の左端側にくると、フォトセンサ３４が検知板２６ａを検知する。この位置で、スクレーパ２８はスクレーパ変向板３２に当接して、取付軸２９を中心として傾斜方向が通紙幅方向の右方に変更する（図７参照）。これと同時に、図１２（ｂ）に示すように、スクレーパ変向板３２にブレードホルダー３０の折曲片３０ａが当接して、ブレードホルダー３０（及びブレード３１）は、スクレーパ取付体２７に対して通紙幅方向の右方側に相対移動する。

本発明は、複写機、ファクシミリ、プリンタ、或いはこれらの機能を併有した複合機等の画像形成装置の分野において利用できる。

定着装置とローラクリーニング装置を備えた画像形成装置の概略構成図である。 定着装置の概略構成図である。 実施例の初期の加熱ローラの表面状態を示す図である。 実施例の耐久試験後の加熱ローラの表面状態を示す図である。 比較例の初期の加熱ローラの表面状態を示す図である。 比較例の耐久試験後の加熱ローラの表面状態を示す図である。 ローラクリーニング装置の正面図である。 同上の平面図である。 図８のＡ−Ａ断面図である。 ブレードホルダーの外観斜視図である。 （ａ）は図９の要部拡大図であり、（ｂ）はその変形例を示す図である。 （ａ）（ｂ）は、それぞれ同上の通紙幅方向の端部でのＢ−Ｂ断面図である。

符号の説明

１……画像形成装置、６……画像形成部、７……定着装置、７Ａ……加熱ローラ、２０……ローラクリーニング装置、２１……ヒータ、２２……炭素膜、２４……スパイラル軸、２６……移動体、２７……スクレーパ取付体、２８……スクレーパ、３２……スクレーパ変向板

Claims (6)

1. ヒータを内蔵した回転する加熱ローラに、トナー像が転写されたシート材を押し当てて、このシート材にトナー像を定着させる定着装置において、
   前記加熱ローラにおけるシート材との接触面に炭素膜を形成した、
   ことを特徴とする定着装置。
2. 前記炭素膜は、水素化アモルファス炭素膜、ＤＬＣ膜、又は硬質炭素膜のいずれかである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 請求項１又は２に記載の定着装置に付設され、前記加熱ローラの前記接触面に当接して該接触面の付着物を掻き取る掻き取り手段と、
   該掻き取り手段をシート材幅方向に移動させる移動手段と、を有する、
   ことを特徴とするクリーニング装置。
4. 前記掻き取り手段がシート材幅方向に移動する際の移動端に設けられ、前記加熱ローラの前記接触面に対する前記掻き取り手段の傾斜方向を変更する変向部材を備えている、
   ことを特徴とする請求項３に記載のクリーニング装置。
5. 前記掻き取り手段がシート材幅方向に移動する際の移動端の下方に設けられ、該移動端で前記掻き取り手段が掻き取った付着物を落下させて収容する受け箱を備えている、
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載のクリーニング装置。
6. 像担持体の表面に形成されたトナー像を転写手段でシート材に転写し、この転写済みのシート材を請求項１又は２に記載の定着装置に送り込むようにしたことを特徴とする画像形成装置。

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