JP2005292425A - 加圧ローラ - Google Patents

Abstract

【課題】 永久変形の懸念がなく、低硬度で断熱性に優れ、且つ、長手方向のニップ幅を他の部品の精度に影響されることなく均一に確保できる加圧ローラを提供すること。
【解決手段】 芯金（３）の外周に被覆された弾性層（１）に、シリコーンゲル（２ａ）を芯金（３）の長手方向に沿って連続的に、且つ、円周方向には非連続的に配置することにより、上記の課題を一挙に解決するに至った。
【選択図】 図２

Description

本発明は、加圧ローラに関し、特に電子複写機、プリンター、ファクシミリ等の画像定着用の熱定着部に用いられる定着用加圧ローラに関する。

従来から、定着用加圧ローラ（以下、“加圧ローラ”と称する。）の表面弾性層には、一般にゴム状弾性スポンジ層が採用されている。この理由は、該スポンジ層が、十分なニップ幅を確保するに適した硬度を呈するからである。しかし、このスポンジ層には二つの欠点がある。
一つはニップ時、すなわち加熱ローラに加圧した際に永久変形し易いという欠点である。そして、この永久変形部においては十分な加圧効果が得られないため、画像に悪影響を及ぼし、さらには異音・振動を発生させる原因にもなり、機械の破損にもつながってしまう。
この永久変形の問題を解消するため、該スポンジ層に代えてシリコーンゲル層を採用することが推奨されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、このゲル層は、スポンジ層とは異なって粘着性を呈することから、同文献１にも記載されているように、ゲル層の外周には離型層の存在が不可欠となる。ところで、離型層の硬度が高いのは周知のとおりである。したがって、この提案のローラでは、結果的にはゲル層の硬度が高くなり、十分なニップ幅の確保という命題に逆行する。さらに、該ゲル層の最大の不利益は、断熱性に欠けることである。つまり、加圧ローラには、加熱ローラからの熱を十二分に保持することが要求されるが、ゲル層ではこの要求に応えることができないのが現状である。また、良好な低硬度性が災いして、単体での形状保持は不可能である。外層の肉厚が薄いと、ローラ形状を維持できず、結果としてローラとして機能できない。
もう一つの欠点は、定着時の熱でスポンジ層が膨張し、長手方向に沿って外径差が生じるという点である。この外径差は、加圧ローラの長手方向でニップ幅の不均一となって表面化する。その結果、ヒートロール方式の定着装置においては、紙にしわが発生するという不具合が生じる。また、該ローラに従動回転する定着用エンドレスベルト（以下、“ベルト”と称する）を採用するベルト方式の定着装置においては、ニップ幅の大きい、すなわち外径が大きく、周速の速い側にベルトが斜行してしまうことより、ベルトが変形を起こし、画像に影響を与え、最悪の場合にはベルト自体の破損に至るという致命的問題を惹起する。
この加熱後の外径変化対策として、弾性体中にローラ芯金の長手方向に平行で、且つ、周方向に多数の貫通孔、あるいは螺旋状の貫通孔を設けるという提案がなされている（例えば、特許文献２参照。）。この提案によれば、加熱時の外径はローラ長手方向において、ほぼフラットになり、ヒートローラ方式においては有効な対策となりうるが、ベルト方式においては根本的な解決にはなっていない。
また、このベルトの斜行や紙のしわに関しては、加圧ローラ単体の問題ではない。定着装置を形成する他の部品、例えば板金であるとか、加圧部材およびそれらを組み立てる際の精度の影響も無視できない。

特許公報第３１５３４５４号 特許公報第２８７０８７８号

したがって、本発明の課題は、上記二つの問題点を解決することにより、永久変形の懸念がなく、低硬度で断熱性に優れ、且つ、長手方向のニップ幅を他の部品の精度に影響されることなく均一に確保できる加圧ローラを提供することにある。

本発明者は、芯金の外周に被覆された弾性層に、シリコーンゲルを該芯金の長手方向に沿って連続的に、且つ、円周方向には連続的又は非連続的に配置することにより、上記の課題を一挙に解決するに至った。

本発明によれば、シリコーンゲルの特徴である低硬度性、衝撃吸収性および自在流動性が如何なく発揮されるので、次のような顕著な効果が奏される。
ａ．弾性層内のシリコーンゲルは、芯金の長手方向に沿って連続的に、且つ、円周方向には連続的または非連続的に配置されているので、弾性層が該ゲルの形態固定枠として機能する。さらに、ローラ加圧の際、該ゲル層が緩衝材として機能し、表面弾性層の圧縮歪を吸収するため、ローラ形状（被覆部）の復元性が格段に向上し、圧縮永久歪みの懸念がなくなる。
ｂ．芯金の円周方向に連続的または非連続的に配置されたシリコーンゲルが、芯金の長手方向に沿って自在に流動するので、加圧時においても、ロール長手方向のニップ幅の不均一化現象が改善される。
このニップ幅の不均一化現象の原因は、元々ロールの長手方向に沿うニップ圧のバラツキに起因している。これは、ローラの長手方向における外径・硬度、加圧部材の荷重、板金等他部品および組み立て時の精度のバラツキなどが原因と考えられる。
この点、本発明によれば、上記の理由に因りニップ圧の高い箇所が発生しても、この箇所のシリコーンゲルが低い箇所へ随時移動することより、前記したバラツキが相殺され、結果としてニップ幅の不均一が改善される。

以下、本発明の加圧ローラについて、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る加圧ローラの一態様を示す横断面図である。
図２は、本発明に係る加圧ローラの他の態様を示す横断面図である。
図３〜図９は、本発明の加圧ローラの一製造例を逐次的に示す略線図で、その際、
図３は、芯金に弾性層を被覆した一次成形品の縦断面図；
図４は、該一次成形品の外周にシリコーンゲル層を形成するための円筒状金型の縦断面図；
図５は、該シリコーンゲル層の外周に配するシリコーンスポンジチューブ（弾性層（１）に相当）の一例を示す縦断面図；
図６は、該シリコーンスポンジチューブの両端を拡径した状態を示す縦断面図；
図７は、該両端を拡径したシリコーンスポンジチューブを減圧用金型に挿入した状態を示す縦断面図；
図８は、図７の状態で減圧した後のシリコーンスポンジチューブの拡径状態を示す縦断面図；そして、
図９は、シリコーンゲル層を形成した一次成形品（図４）を図８のシリコーンスポンジチューブ内に挿入した状態を示す縦断面図である。
図１０は、本発明に係る図２の定着用加圧ローラのスポンジ層となる中空円筒ゴム状弾性体の製造に使用する押出機の金型（ダイス）である。
図１１は、本発明に係る図２の定着用加圧ローラのスポンジ層となる中空円筒ゴム状弾性体の製造に使用する押出機の金型（ニップル）である。
図１２は、本発明に係る図２の定着用加圧ローラのスポンジ層となる中空円筒ゴム状弾性体の押出形状である。

図１において、（１）は弾性層で、外環弾性層（１ａ）と内環弾性層（１ｂ）とからなり；（２）はシリコーンゲル層で、外環弾性層（１ａ）と内環弾性層（１ｂ）との間に配置され；そして、（３）は芯金である。この例では、シリコーンゲル層（２）は、芯金（３）の長手方向に沿って連続的に延在し、且つ、円周方向にも連続的、すなわち円環状に配置されている。
ここで、該弾性層の構造としては、発泡構造と非発泡構造の二種類がある。そして、外環弾性層（１ａ）を外層、内環弾性層（１ｂ）を内層ということで考えると通常、以下の四種類のケースが考えられる。
ケースＡ．外層：発泡層、 内層：発泡層
ケースＢ．外層：発泡層、 内層：非発泡層
ケースＣ．外層：非発泡層、 内層：発泡層
ケースＤ．外層：非発泡層、 内層：非発泡層
これらの組合せにおいて、Ａのケースは、内層が発泡層であるので、芯金との接着強度不足が懸念され他方、Ｃ及びＤのケースは、外層が非発泡層であるので、所望の低硬度を得ることが難しい。以上のことより、Ｂのケース、すなわち外層が発泡層、内層が非発泡層であることが望ましい。発泡層を構成する材料は、「ＫＥ−９０４ＦＵ」（信越化学工業株式会社製）、「ＫＥ−９１０」（信越化学工業株式会社製）の商品名で流通している。この発泡層は、ＪＩＳ Ｋ ６３０１で規定される硬度で１０〜５０°の範囲にあればよい。他方、非発泡層を構成する材料は、「ＫＥ１３７５」（信越化学工業株式会社製）、「ＳＥ６９１５」（東レ・ダウコーニング・シリコーン株式会社製）の商品名で流通している。
また、シリコーンゲル層（２）を構成する材料は、「ＳＥ１８８０」（東レ・ダウコーニング・シリコーン株式会社製）や「ＳＥ１８８５Ａ」（東レ・ダウコーニング・シリコーン株式会社製）、「ＳＥ１８８５Ｂ」（東レ・ダウコーニング・シリコーン株式会社製）、「ＫＥ１１０ＧＥＬ」（信越化学工業株式会社製）等の商品名で流通している。このシリコーンゲル層（２）を形成するシリコーンゲルは、ＪＩＳ Ｋ ２２０７に規定される針入度が３０〜２００、特に、５０〜１５０であることが好ましい。これらのシリコーンゲル層（２）は、弾性層（１）とシリコーンゲル層（２）との全面積において、２０〜８０％を占めるように配置するのが好ましい。
次に、図２について説明する。
該図において、（１）は単一の弾性層、（２ａ）は、該弾性層（１）を海と見立てたとき、独立して存在する島状のシリコーンゲル層、そして（３）は図１の場合と同じである。この例では、島状シリコーンゲル層（２ａ）は、芯金（３）の長手方向に沿って連続的に延在し、且つ、円周方向には非連続的、すなわち間歇的に配置されている。また、単一層（海層）である弾性層（１）は、その表層部（外層）の特性を優先させる意味で、前述のＢのケースに準じて、発泡層を採用するのが好ましい。また、独立した島状のシリコーンゲル層（２ａ）は弾性層（１）の厚みの３０〜７０％の直径を有するものが好ましく、且つその配設数は４〜１０個程度で十分である。
尚、本発明の加圧ローラにおいて、弾性層（１）の外周には、必要に応じて、斯界で周知のフッ素樹脂で代表される離型層を付加的に設けてもよい。

次に、本発明に係る加圧ローラの製造方法の一例について、図３〜図１２を参照しながら説明する。
Ａ. 図１の加圧ローラの製造例
先ず、押出し機に、胴部表面をサンドブラスト、洗浄、次いでプライマー処理を施した芯金（３）、および加硫材を含むシリコーンゴム混錬体を投入し、芯金胴部表面に加硫材を含むシリコーンゴムを被覆することにより、内環弾性層（１ｂ）を形成した芯金（３）を、図３のような一次成形品として押出す。
次に、該一次成形品を図４の金型にセットする。図４において、（３）及び（１ｂ）は図３同様に芯金、内環弾性層であり、（４ａ）、（４ｂ）は金型の蓋、（５）は金型胴体部である。蓋（４ｂ）は、図では支持されていないように見えるが、実際はリブが、蓋（４ｂ）の中央に位置するよう設計されている。そして、この図４の態様では、以下のようにして該一次成形品の外周にシリコーンゲル層（２）が形成される。
上記の一次成形品を水平面に置いた蓋（４ｂ）の中央の穴に直立状態で挿入する。この状態で、該一次成形品を覆うように金型胴体部（５）を立てて被せ、蓋（４ｂ）の所定の位置にセットする。次に、金型胴体部（５）に蓋（４ａ）をセットする。その際、蓋（４ａ）の中央の穴に該一次成形品が入るようにする。組み立てが終了した金型に、注型機によって金型下方（矢印側）からシリコーンゲル材料を注入し、加硫することによって、シリコーンゲル層（２）を該一次成形品に被覆する。
一方、図５に示すようなシリコーンスポンジチューブ（６）を外環弾性層（１ａ）として用意しておく。そのときの内径φｄはシリコーンゲル層（２）の外径φＤ（図９）の９３〜９９％に設定される。その理由は、ローラ外径の安定化やシリコーンゲル層（２）と外環弾性層（１ａ）との密着力を向上させるためである。このようなチューブ（６）は、既に述べた材料を押出し機によって筒状に押出し、加硫・発泡させることにより得られる。
次いで、このチューブ（６）の両端に、図６に示すようにチューブ内径φｄよりも外径の大きいカラー（７）を挿入する。この挿入状態で、図７に示すように減圧用金型に装着する。該減圧用金型は、上金型（８ａ）と下金型（８ｂ）とからなる。この際、両金型の合わせ目には、パッキン等が挟み込まれて金型の密着性が確保されている。
図８には、上金型（８ａ）に穿けられた減圧口（９）から、吸引装置によって金型内を減圧した後の状態が示されている。すなわち、チューブ（６）は、その長手方向に沿って拡径されている。そして、この減圧下に拡径されたチューブ（６）内に、図９に示すように、シリコーンゲル層（２）を被覆した一次成形品を挿入した後、減圧状態を解除して拡径されたチューブ（６）を収縮させながらシリコーンゲル層（２）の外周に密着させる。
その後、シリコーンゲル層（２）とチューブ（６）とで被覆された一次成形品を脱型する。さらに、カラー（７）を取外して、両端の余分な箇所を取り除いたチューブ（６）表面を研磨することにより所望の加圧ローラが得られる。
また、上述した製造法以外に、注型法によっても同様の加圧ローラが得られる。その場合、図４における金型胴体部（５）の内壁に、チューブ（６）を密着させた状態でシリコーンゲルを注入する。
Ｂ. 図２の加圧ローラの製造例
先ず、弾性層（１）、すなわち中空円筒のスポンジ層を作成するための金型を準備する。この金型には、芯金および独立した島状のシリコーンゲル層（２ａ）挿入用の貫通孔を形成するためのピンが配置されている。更に詳しくは、シリコーンゴム用押出機先端に図１０〜図１１に示すような金型を設置した状態で、加硫材と発泡剤とをシリコーンゴム混錬体を投入して、図１２に示すような中空円筒ゴム状弾性体（１４）を連続的に押出す。
ここで、該押出機先端に設置する金型は、ダイス（１０）の中にニップル（１１）を入れるように配置し、その際、ニップル（１１）には、中心部に芯金（３）の挿入のための貫通孔形成用のピン（１３）および該ピン（１３）の外周に独立した島状のシリコーンゲル層（２ａ）を挿入するための貫通孔形成用ピン（１２）が必要本数配置される。続いて、得られた押出成形品を連続して加硫・発泡させ、さらに、必要に応じて二次加硫を行う。最後に、得られた長尺品を所望長にカットして、弾性層（１）用の中空円筒のスポンジ体とする。
このスポンジ体を金型に装着し、芯金（３）を挿入後、加圧ローラを得るまでの一連の流れは、図６〜９の場合と同様である。
最後に、シリコーンゲル層（２ａ）を挿入するための貫通孔にディスペンサーを用いてシリコーンゲルを充填してから、加硫・研磨処理を行うことにより、所望の加圧ローラが得られる。

以下、実施例（図２の加圧ローラの例）を挙げて、本発明を具体的に説明する。
尚、実施例中の「部」は重量部を示す。

先ず、ゴム状弾性体からなる中空円筒のスポンジ体（長さ：２５０ｍｍ、厚さ：１０ｍｍ、外径φ３０ｍｍ）を以下のようにして形成した。
シリコーンゴム「ＫＥ９０４ＦＵ」（信越化学工業株式会社製）１００部に、発泡剤として「ＫＥ−Ｐ−１３」（信越化学工業株式会社製）を３．０部、低温加硫剤として「Ｃ−２３」（信越化学工業株式会社製）を１．０部、高温加硫剤として「Ｃ−８Ａ」（信越化学工業株式会社製）を０．５部添加し、それぞれの添加剤がゴム中に均一に分散するまで混練した。その後、シリコーンゴム用押出機先端に図１０〜図１１に示すような金型を設置した状態で上記の混錬体を投入して、図１２に示すような中空円筒ゴム状弾性体（１４）を連続的に押出した。このとき、該押出機先端に設置する金型は、ダイス（１０）の中にニップル（１１）を入れるように配置し、その際、ニップルには以下の中空ピン；すなわち、中心部に芯金（３）の挿入のための貫通孔形成用として、外径φ１２ｍｍ、内径φ１０．５ｍｍの中空ピン（１３）１本と、その外周に独立した島状のシリコーンゲル層（２ａ）を挿入するための貫通孔形成用として、円周方向に９０°の間隔で外径φ５ｍｍ、内径φ０．５ｍｍの中空ピン（１２）４本とを；配置した。続いて、得られた押出成形品を連続して、炉長５ｍ、炉温１５０℃の炉の中に線速２ｍ／分で通して発泡、加硫をさせ、さらに２００℃×４時間で二次加硫を行った。最後に、得られた長尺品を長さ２５０ｍｍにカットして、弾性層（１）用の中空円筒のスポンジ体を得た。
このようにして得られたシリコーンゴム中空円筒のスポンジ体を内径φ３０．７ｍｍ、外径φ３７．０ｍｍ、長さ２５０ｍｍの、減圧口を設けた金型（８ａ）（８ｂ）の中に装着した。
この状態のスポンジ体を真空装置に載置して真空引きすることにより、スポンジ体を拡径させ、さらに、拡径した中空孔に表面をプライマー処理したφ１０ｍｍの鉄製芯金（３）を挿入した後、真空引きを解除することにより芯金（３）の外周に該スポンジ体を弾性層（１）の形で密着・被覆させた。
次いで、このローラ構造体を真空装置から取り出した後、独立した島状のシリコーンゲル層（２ａ）を形成する各孔に、シリコーンゲル「ＳＥ１８８０」（東レ・ダウコーニング・シリコーン株式会社製）をディスペンサーにて全ての孔に充填した後、炉内で１８０℃、３０分加硫した。このようにして、図２に示すような加圧ローラが得られた。

本発明の加圧ローラは、弾性層は永久変形の懸念がなく、しかも低硬度で断熱性に優れた弾性層を有するので、定着装置の加圧ローラとして特に有用であるばかりでなく、紙状体、布帛、さらにはフィルムのような薄膜体の搬送ローラとしても利用される。

本発明に係る加圧ローラ態様を示す横断面図である。 本発明に係る加圧ローラの他の態様を示す横断面図である。 芯金に弾性層を被覆させた一次成形品を示す縦断面図である。 該一次成形品の外周にシリコーンゲル層を形成するための円筒状金型の縦断面図である。 該シリコーンゲル層の外周に配するシリコーンスポンジチューブの一例を示す縦断面図である。 該シリコーンスポンジチューブの両端を拡径した状態を示す縦断面図である。 該両端を拡径したシリコーンスポンジチューブを減圧用金型に挿入した状態を示す縦断面図である。 図７の状態で減圧した後のシリコーンスポンジチューブの拡径状態を示す縦断面図である。 弾性層およびシリコーンゲル層を形成した芯金を図８のシリコーンスポンジチューブ内に挿入した状態を示す縦断面図である。 本発明に係る加圧ローラの製造に使用する押出機の金型（ダイス）である。 本発明に係る加圧ローラの製造に使用する押出機の金型（ニップル）である。 本発明に係る加圧ローラの弾性層の基材となる中空円筒ゴム状弾性体の押出形状である。

符号の説明

１ 弾性層
１ａ 外環弾性層
１ｂ 内環弾性層
２ シリコーンゲル層（海層）
２ａ 独立した島状のシリコーンゲル層
３ 芯金
４ａ 金型の蓋
４ｂ 金型の蓋
５ 金型胴体部
６ シリコーンスポンジチューブ
７ カラー
８ａ 減圧用金型の上金型
８ｂ 減圧用金型の下金型
９ 減圧口
１０ ダイス
１１ ニップル
１２ 中空ピン（独立した島状のシリコーンゲル層形成ピン）
１３ 中空ピン（芯金挿入のための中心貫通孔形成ピン）
１４ 中空円筒ゴム状弾性体

Claims (6)

1. 芯金の外周に被覆された弾性層中に、シリコーンゲルを該芯金の長手方向に沿って連続的に、且つ、円周方向には連続的又は非連続的に配置してなる加圧ローラ。
2. 該加圧ローラが定着用加圧ローラである請求項１に記載の加圧ローラ。
3. 該シリコーンゲルが３０〜２００の針入度（ＪＩＳ Ｋ ２２０７）を有する請求項１または２に記載の加圧ローラ。
4. 該弾性層がシリコーンゴム発泡体からなる請求項１〜３のいずれかに記載の加圧ローラ。
5. 該シリコーンゴム発泡体が１０〜５０°の硬度（ＪＩＳ Ｋ ６３０１）を有する請求項４に記載の加圧ローラ。
6. 該弾性層の外周に離型層が設けられている請求項１〜５のいずれかに記載の加圧ローラ。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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