JP2008203668A - 定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造でミスアライメントに対して許容範囲を広くとることできるとともに、軸受部の取り付け精度の向上が図れ、軸受部の早期破損やクリープによる軸摩耗を防止できる定着装置を提供する。
【解決手段】内輪２と外輪３の軌道面間に複数の玉４が配列された転がり玉軸受によって回転部材を回転自在に支持してなる定着装置であって、内輪２の内径面は、軸方向に沿う凸球面状で、軸方向断面が単一円弧状であり、かつ低摩擦摺動性を有する被膜が形成されてなり、回転部材の単一径の軸部８ａが内輪内径に嵌合される。
【選択図】図２

Description

本発明は、内径面を軸方向に沿う凸曲面とした転がり玉軸受を使用した定着装置に関する。

複写機やプリンタ等の事務機器の定着部に使用される定着ローラや加圧ローラ等の回転部材では、高温、高荷重のためベンディング（湾曲・撓み）によるミスアライメントが発生する。従来、事務機器の定着ローラ支持用転がり軸受において、内輪の内径を軸方向に沿うテーパ状または球面状などの凸曲面部とすることにより、定着ローラの撓みによるミスアライメントを十分に吸収し、定着ローラの軸端部に発生する摩耗を抑制することができる円筒ころ軸受が知られている（特許文献１参照）。

事務機器では、小型化や構造簡略化等による組み立て性の問題から、軸（シャフト）と軸受とが通常はすきま嵌めであるため、使用条件によっては、すきま嵌めで嵌合される軸と軌道輪間にクリープが発生し、これによる軸の摩耗が発生する。また同時に異音も発生する場合がある。
このクリープや異音の防止手段として、嵌め合い部へのグリース塗布や、軸への圧入があるが、いずれの場合も作業性が低下する。また、グリース塗布の場合には、塗布量のばらつきによる嵌め合い面の潤滑性のばらつきや、グリースの劣化による潤滑性の低下が問題となる。

特許文献１の円筒ころ軸受では、つば部強度確保のため凸曲面部の局率半径Ｒを小さくできない。また、調心時は荷重点が変化するため、ころに働く荷重分布も変化する。例えば、内部隙間が大きい場合には、ころが隙間分傾いてしまい、ころと軌道面の接触面積が小さくなり局部的に接触面圧が大きくなる場合がある。このため、円筒ころ軸受では、軸受にミスアライメントが働く箇所で軸受の早期破損が生じやすい、また、ミスアライメントに対して許容範囲を広くとることできないという問題がある。例えば、ミスアライメントを吸収するための調心角度は 10 度程度以下である。また、円筒ころのため、回転トルクが玉軸受よりも大きく、より多くの駆動力が必要となる。また、内径面には被膜等を形成していないため、上述のようにクリープによる軸摩耗発生の懸念がある。

また、事務機器では省スペース化のため構造材に板金が多用され、板金を組み合わせて筐体を形成するため、公差の積み重ねにより軸受取り付け位置精度が悪くなるという問題がある。取り付け位置が悪いままだと、ミスアライメントが発生し、軸受の早期破損に繋がる。通常の軸受の場合、取り付け誤差やミスアライメントを軽減するためには、リング部材等が必要となり部品点数が増えるという問題がある。

回転部材の軸受による支持箇所では、軸が傾くことで軸受も傾き、最悪は転動体が内輪外径面に乗り上げて破損してしまう場合がある。また、図４に示すように、軸１１がベンディングした場合には、内輪１２のエッジ部と軸とが当たるため、面圧が高くなる。定着ローラなどの軸材質には、アルミ、鉄（焼入れなし）等、軸受材質よりも硬度の低い材質が使用されるため、軸の摩耗が加速される場合がある。
特開２００３−４３８４９号公報

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、簡易な構造でミスアライメントに対して許容範囲を広くとることできるとともに、軸受部の取り付け精度の向上が図れ、軸受部の早期破損やクリープによる軸摩耗を防止できる定着装置の提供を目的とする。

本発明の定着装置は、内輪と外輪の軌道面間に複数の玉が配列された転がり玉軸受によって回転部材を回転自在に支持してなる定着装置であって、上記内輪の内径面は、軸方向に沿う凸球面状で、軸方向断面が単一円弧状であり、かつ低摩擦摺動性を有する被膜が形成されてなり、上記回転部材の単一径の軸部が上記内輪内径に嵌合されることを特徴とする。
また、上記単一円弧状の円弧半径は、上記玉の直径の 0.5 〜 50 倍であることを特徴とする。

上記内輪の内径面に形成される被膜は、厚みが 2〜10μmであり、該被膜と上記回転部材の軸部との動摩擦係数が 0.2 以下であることを特徴とする。
また、上記被膜が、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと記す）被膜、二硫化モリブデン（以下、ＭｏＳ₂と記す）被膜、または二硫化タングステン（以下、ＷＳ₂と記す）被膜であることを特徴とする。
また、上記被膜が、ニッケル−ポリテトラフルオロエチレン（以下、Ｎｉ−ＰＴＦＥと記す）複合被膜、またはグラファイト被膜であることを特徴とする。

上記回転部材が、印刷用紙にトナーを定着させるための、ヒータが内蔵された定着ローラであることを特徴とする。

本発明の定着装置は、回転部材の単一径の軸部が嵌合される転がり玉軸受の内輪内径面が、軸方向に沿う凸球面状で、軸方向断面が単一円弧状であるので、調心性を大きく持たせることができ、運転時に回転部材が撓んでも、撓んだ形状に軸受の内輪内径面が追随できる。また、取り付け誤差で発生するミスアライメントも吸収できる。加えて、内輪内径面に低摩擦摺動性を有する被膜が形成されているので、クリープによる軸の摩耗を防止または軽減できる。これらの結果、軸受の早期損傷、軸の摩耗、および、運転時の異音等を防止できる。同時に、従来行なっていたグリース塗布、シャフトへの圧入等のクリープ防止対策の廃止に貢献できる。

上記被膜を、ＰＴＦＥ被膜、ＭｏＳ₂被膜、またはＷＳ₂被膜とすることで、酸化膜と比較して嵌め合い面における動摩擦係数が小さくクリープや異音が発生しにくい。
また上記被膜を、Ｎｉ−ＰＴＦＥ複合被膜やグラファイト被膜等の導電性を有する被膜とすることで、軸受内に導電性を有するグリースを封入すれば、軸受に導電性を付与でき、定着装置において別途の接地手段を不要とできる。

また、内輪の内径面が軸方向に沿う凸球面状であるので、内径入り口付近は大径となり、また、軸受の傾きに依らず内径は一定である。このため、軸受が傾いてもその挿入性に変化がなく、軸受取り付け誤差を無視できる定着装置が設計可能であり、軸受の製作、取り付け作業の効率が向上する。

さらに、円筒ころ軸受に比較して、内輪および外輪間にグリースを比較的多く封入することができるので、軸受寿命を延ばすことができる。本発明の定着装置では、転がり玉軸受の寿命が律速となるので、部品交換サイクルを長くすることができる。

定着装置の構成は感光→搬送→現像→定着→排出となっており、定着部は２本の中空ゴムローラ (芯金にアルミや鋼材を使用)に温度( 200℃程度)とそれを支持する軸受とヒータで構成される。通常、ローラは中空となっているため、その中にヒータを通してローラ内部から直接加熱を行なっている。現像部から出てきた紙にトナーを定着させるために、上記温度のほかに圧力（ 98 N 程度）をかけてトナーを紙に定着させる。

本発明に用いる深溝玉軸受（転がり玉軸受）を図１に基づいて説明する。図１は本発明の定着装置に用いる深溝玉軸受（転がり玉軸受）の断面図である。
図１に示すように、深溝玉軸受１は、外周面に内輪転走面２ａを有する内輪２と内周面に外輪転走面３ａを有する外輪３とが同心に配置され、内輪転走面２ａと外輪転走面３ａとの間に複数個の玉４が配置される。この複数個の玉４を保持する保持器５および外輪３等に固定されるシール部材６が内輪２および外輪３の軸方向両端開口部にそれぞれ設けられている。玉４の周囲に潤滑グリース７が封入される。定着ローラや加圧ローラ等の回転部材の軸部がすきま嵌めで嵌合される内輪２の内径面２ｂに、低摩擦摺動性を有する被膜２ｃが形成されている。
深溝玉軸受１における内輪転走面２ａは、図１に示すように曲率が一定であることから、内輪２が傾いても玉４との接触面積は変化しない。このため、局部的な接触面圧の増加を防止でき、軸受の早期損傷の防止およびミスアライメントに対しての許容範囲の拡大を図れる。

内輪２の内径面２ｂは、軸方向に沿う凸球面状で、かつ軸方向断面が単一円弧状である。すなわち、軸方向幅中心部が両端部よりも軸に対して突出した球面である。
内径面２ｂは、図１における玉４の中心Ｃ₀を通る線分Ｌ上に存在する点Ｃ₁を中心にする円弧の一部を形成する。上記円弧の半径は、玉４の直径の 0.5 〜 50 倍径が好ましく、特に好ましくは 10 〜 20 倍径である。この範囲外となると、いずれも調心角度が大きくなったり、小さくなったりして、回転部材を安定して支持することが困難となる。
具体的には、半径を上記範囲とすると、調心角度を10度〜20度とできる。調心角度が 10度未満であると、定着装置において転がり軸受を設置する部位が構造材に板金等を用いた寸法精度に劣る部位である場合、十分にミスアライメントを吸収することができない。

上記内輪の内径は 好ましくは 4 mm 〜 50 mmである。より好ましくは 4 mm 〜 30mm である。なお、内輪の内径は軸方向断面において、単一円弧状の頂点同士の距離を表す。また、内輪の内径が上記範囲のとき、玉の直径は 2mm 〜 10mm 程度である。

本発明における低摩擦摺動性を有する被膜は、該被膜と軸受との動摩擦係数、すなわち嵌め合い面における動摩擦係数が 0.2 以下となるものであることが好ましい。嵌め合い面における動摩擦係数が 0.2 をこえると、軸摩耗や異音が発生しやすくなる。
このような低摩擦摺動性を有する被膜としては、例えばＰＴＦＥ被膜、ＭｏＳ₂被膜、ＷＳ₂被膜等が挙げられる。

軸受に導電性を必要とする場合では、低摩擦摺動性と合わせて導電性を有する被膜を使用する。該導電性を有する被膜としては、フッ素樹脂に金属粉を配合した複合被膜や、グラファイト被膜等が挙げられる。また、フッ素樹脂に金属粉を配合した複合被膜としては、ＰＴＦＥ樹脂に金属Ｎｉ粉を配合したＮｉ−ＰＴＦＥ複合被膜が挙げられる。
なお、Ｎｉ−ＰＴＦＥ複合被膜の組成としては、例えば、Ｎｉ 82〜86重量％、リン 7〜9 重量％、ＰＴＦＥ（粒子径1μm以下）7〜9重量％である。

内輪内径面への被膜の形成方法としては、電気めっき、無電解めっき、真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング等の物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）等、または、樹脂分散液を用いたディッピング、塗布、スプレー噴霧等によるコーティング、その他周知の被膜形成方法を採用できる。
また、グラファイト被膜、ＭｏＳ₂被膜、またはＷＳ₂被膜等を形成する場合では、被膜厚さを均一にできることからスパッタリングを採用することが好ましい。また、Ｎｉ−ＰＴＦＥ複合被膜を形成する場合では、被膜厚さを均一にでき寸法精度に優れるとともに、膜中においてＰＴＦＥ粒子を均一に分散できること等から無電解めっきを採用することが好ましい。

本発明における低摩擦摺動性を有する被膜の厚みは、2〜10μmとすることが好ましい。より好ましくは、2〜5 μmである。被膜の厚みを 2 μm以上とすることで、複写機やプリンター等の事務機器における実用上の使用条件として、例えば、転がり軸受に 220Ｎのラジアル荷重を付加しつつ、定着ローラを130rpmで 500 時間回転させた時点においても、嵌め合い面における動摩擦係数を 0.2 以下に維持でき軸摩耗や異音を防止できる。
被膜の厚みが 2 μm未満では、嵌め合い部での金属同士の摺動を十分に防止できずにクリープや異音が発生するおそれがある。10μmをこえると、軸部との嵌合精度が低下するとともに、被膜形成コストが高くなる。

内輪または外輪の軌道面に付着する被膜の厚みは 10μm以下、好ましくは 5μm以下とすることが好ましい。被膜は軌道面には付着させないことが好ましいが、作業を簡素化するために、マスキングせずに被膜形成処理を行なう等、被膜形成方法によっては軌道面にも被膜が付着する。この軌道面に付着する被膜の厚みが 10 μmをこえると、転動体の転動によって被膜が剥離し、この剥離した被膜が異物として玉に噛み込まれて、軸受の寿命が短くなる。

本発明の定着装置の構造を図２に基づいて説明する。図２は、上述した深溝玉軸受１で軸部８ａを支持された定着装置の定着ローラ８を示す。
この定着ローラ８はアルミニウムで中空に形成され、中空部に配設された電磁誘導加熱ヒータ９によって 200℃程度まで加熱されるようになっており、電磁誘導で生じる内部電流によって帯電する。定着ローラ８の両端の軸部８ａは内輪２の内径面に嵌合され、外輪３が定着装置のフレーム１０で固定されており、各軸部８ａは深溝玉軸受１を介してフレーム１０に接地され、定着ローラ８に帯電する電気を逃すようになっている。
本発明では、内輪２の内径面に上述の被膜が形成されているので、嵌め合い面においてグリースを塗布する必要がない。

定着ローラ８の軸部８ａは、単一径の軸である。すなわち、上記内輪２に嵌合できる直円柱または直円筒状の軸である。単一径の軸であっても、運転開始と同時に軸受内径面と軸との間で調心されるためミスアライメントが吸収できる。例えば、図３に示すように、運転時に定着ローラ８およびその軸部８ａが撓んでも、撓んだ形状に軸受１の内輪内径面が追随できる。加えて、軸受１の内輪内径面に被膜２ｃが形成されているので、軸の摩耗を防止できる。
また、軸の挿入性にも優れるので、すきま嵌めの隙間幅を小さくできる。

本発明に使用できる軸受は、転がり玉軸受であればよく、上述の深溝玉軸受に限定されるものではない。また、本発明の定着装置において転がり玉軸受は、静電気等によって帯電する定着ローラ以外の回転部材の支持にも使用することができる。

本発明の定着装置に用いる転がり玉軸受の内・外輪の材質としては、周知の軸受用金属材料を用いることができ、上記のめっき被膜等が形成可能な材質であれば特に限定されない。具体例としては、軸受鋼（高炭素クロム軸受鋼ＪＩＳ Ｇ ４８０５）、肌焼鋼（ＪＩＳ Ｇ ４１０４等）、高速度鋼（ＡＭＳ ６４９０）、ステンレス鋼（ＪＩＳ Ｇ ４３０３）、高周波焼入鋼（ＪＩＳ Ｇ ４０５１等）が挙げられる。また、他の軸受用合金を採用することもできる。また、玉は上記金属製、またはセラミック製であってもよい。また、定着ローラは通常、Ａ５０５６、Ａ６０６３等の軽量アルミニウム合金等により形成される。
本発明の定着装置では、嵌め合い面である内輪内径面に上述の被膜を形成するので、軸受と回転部材との材質が上記いずれの組み合わせであっても、嵌め合い面における動摩擦係数を小さくでき、軸の摩耗を防止できる。

本発明において転がり玉軸受に封入するグリースとしては、一般に軸受に使用されるグリースであれば、特に種類を限定されない。軸受自体に導電性を必要とする場合には、カーボンブラック、荷電性ミクロゲル粒子、グラファイト等の導電剤を配合した導電性グリースを封入することができる。
また、転がり玉軸受であるため、円筒ころ軸受に比較して多量の潤滑グリースを封入できる。多量の潤滑グリースを封入できることにより、調心性と共に軸受寿命が向上する。軸受寿命が向上することにより、部品交換サイクルが長くなり、定着装置の維持管理費用が削減できる。

本発明の定着装置は、簡易な構造でミスアライメントを許容でき、軸受部の早期破損やクリープによる軸摩耗を防止できるので、複写機やプリンタ等の事務機器用定着装置として好適に利用できる。

本発明の定着装置に用いる深溝玉軸受（転がり玉軸受）の断面図である。 図１の転がり玉軸受を使用した複写機の定着ローラを示す縦断面図である。 本発明の定着装置に用いる転がり玉軸受において軸のベンディング発生時を示す断面図である。 従来の転がり玉軸受において軸のベンディング発生時を示す断面図である。

符号の説明

１ 深溝玉軸受（転がり玉軸受）
２ 内輪
３ 外輪
４ 玉
５ 保持器
６ シール部材
７ グリース
８ 定着ローラ（回転部材）
８ａ 軸部
９ 電磁誘導加熱ヒータ
１０ フレーム

Claims (6)

1. 内輪と外輪の軌道面間に複数の玉が配列された転がり玉軸受によって回転部材を回転自在に支持してなる定着装置であって、
   前記内輪の内径面は、軸方向に沿う凸球面状で、軸方向断面が単一円弧状であり、かつ低摩擦摺動性を有する被膜が形成されてなり、
   前記回転部材の単一径の軸部が前記内輪内径に嵌合されることを特徴とする定着装置。
2. 前記単一円弧状の円弧半径は、前記玉の直径の 0.5 〜 50 倍であることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
3. 前記内輪の内径面に形成される被膜は、厚みが 2〜10μmであり、該被膜と前記回転部材の軸部との動摩擦係数が 0.2 以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の定着装置。
4. 前記被膜が、ポリテトラフルオロエチレン被膜、二硫化モリブデン被膜、または二硫化タングステン被膜であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の定着装置。
5. 前記被膜が、ニッケル−ポリテトラフルオロエチレン複合被膜、またはグラファイト被膜であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項記載の定着装置。
6. 前記回転部材が、印刷用紙にトナーを定着させるための、ヒータが内蔵された定着ローラであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項記載の定着装置。

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