JP2008020561A

JP2008020561A - 弾性部材、定着部材、定着装置及び画像形成装置

Info

Publication number: JP2008020561A
Application number: JP2006190856A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Sugawara; 智明菅原
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2006-07-11
Filing date: 2006-07-11
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2026-07-11
Also published as: JP5037049B2

Abstract

【課題】柔らかさと熱伝導性を兼ね備え、かつ表面にかかる応力に耐え、耐久性の高い定着部材、定着装置、画像形成装置を提供すること。
【解決手段】金属または、セラミックスまたは、炭素繊維、を含むシリコーンレジンに覆われたシリコーンゴムによりなる粉体を、シリコーンゴムよりなるマトリックス相に分散して配置する。
【選択図】図１

Description

本発明はトナーの定着ローラおよび定着装置に関するもので、詳しくは、耐久性の高い熱伝導を持つ弾性定着部材、定着装置に関する。

従来、電子写真方式の複写機、ファクシミリ、プリンタ等、トナーを用いた画像形成装置の定着装置としては一般的に熱ローラー定着装置が用いられる。

この熱ローラー定着装置では、内部に熱源を有する定着ローラと、定着ローラに押圧される機構を備えた加圧ローラを用い、それらから構成される熱ローラー対の間に形成されるニップ部に未定着のトナー像を担持した転写材を通過させることにより、トナーを加熱溶融し、転写材に固定する構成となっている。

特に、カラーの画像を向上させるためには、加熱部材は、均一な温度で、十分な接触をとることにより熱の受け渡しを行わなければならない。

そのため、柔らかさと熱伝導性を兼ね備え、かつ表面にかかる応力に耐え、耐久性の高いものが要求されており、定着部材としては、シリコーンゴムやフッ素ゴム等の耐熱性ゴム材料が用いられることが多いが、これら耐熱性ゴム材料は熱伝導性が低く、熱源からの熱を被記録材に伝える際には熱抵抗層となる。カラー画像では、特に柔らかいゴム層が画質向上の点で、重要である。しかし、熱抵抗が高いため立ち上がりの時間が遅くなる。また、高速機の場合にも熱供給が間に合わなくなる。そのため、特許文献１や特許文献２のようにフィラーを用いて、熱伝導率を向上させる試みが行われている。

ここで、離型性を有する樹脂材料に、熱伝導性と導電性のいずれか一方または両方を有する材料（例えば金属）が混在した表層を有し、その材料が連接していることを特徴とする。非常に少ない熱伝導物質により、熱伝導効率を上げることができる技術が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００５−２４９８５０号公報特開２００５−２９２２１８号公報特開２００５−３０２６９１号公報「電子機器・部品用放熱材料の高熱伝導化および熱伝導性の測定・評価技術」（（株）技術情報協会２００３年２月発行）Ｐ.４２図３

しかしながら、上述した従来例では、全体にフィラーを投入して熱伝導率を向上させるには、例えば、非特許文献１の図３（１ｃａｌ／ｓｅｃ・ｃｍ・℃＝４１８．６０５[Ｗ／ｍＫ]）でも明らかなように十分な量のフィラーが必要となる。

特許文献２について、２０〜４０重量％含有が必要となっている。より柔らかな耐熱ゴム材料では、より少ないフィラー量になることが重要である。もしくは、より高い熱伝導率のために熱伝導性フィラーの接触効率を上げることが重要となる。

特許文献１の構造では、熱伝導性フィラーの接触効率は、ある程度向上するが、シリコーン樹脂同士の接着は、通常非常に困難である。そのため、粉体とマトリックス界面の強度が低く、膜強度が、弱くなり、耐久性について、問題が生じる。

そこで、本発明では柔らかさと熱伝導性を兼ね備え、かつ表面にかかる応力に耐え、耐久性の高い定着部材、定着装置、画像形成装置を提供することを目的としている。

請求項１記載の弾性部材は、金属または、セラミックスまたは、炭素繊維、を含むシリコーンレジンに覆われたシリコーンゴムによりなる粉体を、シリコーンゴムよりなるマトリックス相に分散したことを特徴とする弾性部材である。

請求項２記載の弾性部材は、金属または、セラミックスまたは、炭素繊維、を含むシリコーンレジンに覆われたシリコーンゴムの粒子をそれぞれ接触した状態であることを特徴とする。

請求項３記載の弾性部材は、金属または、セラミックスまたは、炭素繊維、を含むシリコーンレジンに覆われたシリコーンゴムの粒子を、シリコーンゴム組成物に混合後、硬化することにより形成されていることを特徴とする。

請求項４記載の弾性部材は、シリコーンレジンに覆われたシリコーンゴム粒子に、金属または、セラミックスまたは、炭素繊維、を機械的な圧力と剪断力により固着させて作製したシリコーンゴムの粒子を用いたことを特徴とする。

請求項５記載の弾性部材は、シリコーンレジンを架橋するときに金属または、セラミックスまたは、炭素繊維、を固着させて作製したシリコーンゴムの粒子を用いたことを特徴とする。

請求項６記載の弾性部材は、前記シリコーンゴム粒子に固着させる炭素繊維が、ピッチ系炭素繊維であることを特徴とする。

請求項７記載の定着部材は、最表面にフッ素系高分子よりなる層をもつ請求項１から６のいずれか１項に記載の弾性部材よりなる弾性層を有することを特徴とする。

請求項８記載の定着部材は、表面の粗さ、十点平均高さＲｚが５μｍ以下であることを特徴とした請求項７に記載の弾性部材を用いたことを特徴とする。

請求項９記載の定着装置は、請求項６から８のいずれか１項に記載の弾性部材を用いたことを特徴とする。

請求項１０記載の定着装置は、ワックス含有のトナーを用いたことで定着を行うことを特徴とする。

請求項１１記載の定着装置は、請求項１から８のいずれか１項に記載の弾性部材を用いる定着装置および、請求項９または１０記載の定着装置において、定着部材に離型剤を塗布する手段を有することを特徴とする。

請求項１２記載の定着装置は、請求項９から１１のいずれか１項に記載の電子写真画像の定着装置において、定着部材に圧接する接触部分の面積Ｓ[ｃｍ^２]で前記被定着部材に対する加圧力Ｆ［ｋｇｆ］を割った値が、４．９Ｎ／ｃｍ^２ (０．５[ｋｇｆ／ｃｍ^２])以上となるようにしたことを特徴とする。

請求項１３記載の定着装置は、請求項９から１１のいずれか１項に記載の電子写真画像の定着装置において、定着部材に圧接する接触部分の面積Ｓ[ｃｍ^２]で前記被定着部材に対する加圧力Ｆ［ｋｇｆ］を割った値が、３９．２Ｎ／ｃｍ^２ (４．０[ｋｇｆ／ｃｍ^２])以下となるようにしたことを特徴とする。

請求項１４記載の画像形成装置は、請求項９から１３のいずれか１項に記載の定着装置と、画像形成部とを備え、該画像形成部でシート上にトナー画像を形成し、前記定着装置でシートにトナー画像を定着させることを特徴とする画像形成装置である。

本発明によれば、柔らかさと熱伝導性を兼ね備え、かつ表面にかかる応力に耐え、耐久性の高い定着部材、定着装置、画像形成装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明にかかる弾性部材、定着部材、定着装置および画像形成装置（図３参照）の実施の形態について説明する。

図１は、本発明における高熱伝導性の原理を示す。図１は定着ローラ（加熱ローラ）の表面部分の断面を示し、図示していないヒーターからの熱が、いかに効率よく金属ローラから表面のフッ素樹脂（この例ではＰＦＡ層）まで、流れているかを示している。

曲がった矢印は主な熱流を示す。高熱伝導率のフィラーが膜の一部分（点線部分）に集中しているため非常に少ない添加量で、高い熱伝導率を得ることができる。

また、シリコーン同士の接着は非常に困難であるが、シリコーンゴムをシリコーンレジンで覆ったもの（信越化学ＫＭＰ−６０２等があり）この硬い表面レジンに物理的に強くフィラーを固着させた粉体を作製しこれを仲立ちに接着力の向上を図っている。この点線部分は、熱の通り道であるとともに、接着界面でもある。

なお、シリコーンゴムとは、基本的には直鎖状のジメチルポリシロキサンを架橋した構造を持つもので弾性がある。また、シリコーンレジンとは、シロキサン結合が(ＣＨ３ＳｉＯ３／２)ｎで表される三次元網目状に架橋した構造を持つ、いわゆるポリメチルシルセスキオキサンであり、弾性のない硬い材質である。

図２には、フィラーとレジンで覆われたシリコーンゴムの作製方法を示す。

シリコーン複合パウダーと熱伝導性微粒子を（株）奈良機械製作所製のハイブリダイゼーションシステムに投入し、例としてＫＭＰ−６０２と日本グラファイトファイバー（株）社製品名:炭素繊維ミルド品番：ＸＮ−１００−０５Ｍ(５０ミクロン）を投入し、複合化粉体を作製した。被覆は、樹脂の表面を覆うとほぼ進まなくなるため、投入量が変わっても比較的同様の粉体が作製される。

この粉体とシリコーンゴムの混合物を作製しローラに塗布架橋し、フッ素樹脂のコート層を作製、または、フッ素樹脂チューブにより被覆する。

フィラーとしては、炭素繊維以外に、金属、金属化合物等が好ましく、具体的には、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）等の高熱伝導性微粉末を挙げることができる。

本発明においてもちいられるフッ素樹脂としては、焼成による溶融成膜性のよい、比較的融点の低いもの（好ましくは２５０〜３００℃）が好ましく選択される。具体的には、低分子量ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフロオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアアルキアルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）の微粉末が挙げられる。低分子量ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粉末は、ルブロンＬ−５、Ｌ−２（ダイキン工業）、ＭＰ１１００、１２００、１３００、ＴＬＰ−１０Ｆ−１（三井デュポンフロロケミカル）が知られている。テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）粉末は、５３２−８０００（デュポン）が知られている。テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）は、ＭＰ−１０、ＭＰ１０２、（三井デュポンフロロケミカル）が知られている。特にＭＦＲ（メルトフローレート）が小さい流動性の低いものとして、ＭＰ１０３、ＭＰ３００（三井デュポンフロロケミカル）、ＡＣ−５６００、ＡＣ５５３９（ダイキン工業）等が本発明には向いている。

（実施例１）ＫＭＰ−６０２とＸＮ−１００−０５Ｍ(５０ミクロン)の複合粉体をシリコーンゴム（ＬＴＶ: Low Temp. Vulcanizing Silicone Rubber）の中に分散したものを作製する。アルミニウムの中空芯がねにプライマーを介し、粉体分散シリコーン層を厚さ２ｍｍ形成し硬化させる。その外側にＰＦＡ樹脂チューブを接着する。外径をΦ４０にしたものを５本作製した。これを、（株）リコー製複写機ＭＦ４５７０に２００℃設定で、１０,０００枚連続通紙したが、特に壊れたものはなかった。

それぞれの割合は、シリコーン粉体ＫＭＰ−６０２５０体積%、フィラー５体積％、シリコーンゴム(ＬＴＶ) ４５体積％ゴム硬度は、特に指定のない限り、径３０ｍｍ、厚み１３ｍｍのサンプル片を作成し、タイプＡデュロメータ（ＪＩＳ−Ａ型）で測定した値である。

硬度は、２５で、熱伝導率は、２００μmのサンプルを用いレーザフラッシュ法で厚さ方向で測定した。３．１Ｗ／ｍＫであった。

（比較例１）実施例１と同様の構成で、炭素繊維なしのものを作製した。この構成では、１００枚通紙で、紙端部において、シリコーン層での亀裂が発生し、通紙試験を停止した。

（実施例２）ＫＭＰ−６０２と銀の粉末Φ０．５ミクロンの複合粉体をシリコーンゴム（ＬＴＶ: Low Temp. Vulcanizing Silicone Rubber）の中に分散したものを作製する。アルミニウムの中空芯がねにプライマーを介し、粉体分散シリコーン層を厚さ２ｍｍ形成し硬化させる。その外側にＰＦＡ樹脂チューブを接着する。外径をΦ４０にしたものを５本作製した。これを、（株）リコー製複写機ＭＦ４５７０に２００℃設定で、１０,０００枚連続通紙したが、特に壊れたものはなかった。

組成は実施例１と同じ、ゴム硬度２５熱伝導率２．５Ｗ／ｍＫであった。

（実施例３）ＫＭＰ−６０２と銀の鱗片状長さ５ミクロンの複合粉体をシリコーンゴム（ＬＴＶ: Low Temp. Vulcanizing Silicone Rubber）の中に分散したものを作製する。アルミニウムの中空芯がねにプライマーを介し、粉体分散シリコーン層を厚さ２ｍｍ形成し硬化させる。その外側にＰＦＡ樹脂チューブを接着する。外径をΦ４０にしたものを５本作製した。これを、（株）リコー製複写機ＭＦ４５７０に２００℃設定で、１０,０００枚連続通紙したが、特に壊れたものはなかった。組成は実施例１と同じ、ゴム硬度２５熱伝導率２．５Ｗ／ｍＫであった。

（実施例４）実施例１のローラを（株）リコー製ＭＦ４５７０に装着し、１０,０００枚、黒ベタ画像を通し、ローラ表面のトナーの付着状態を観察した。

また、このローラを（株）リコー製ＭＦ４５７０に装着し、１０,０００枚、黒ベタ画像を通し、ローラ表面のトナー付着量と紙の巻き付きを見た。この結果、表面粗さ（十点平均粗さ：ＪＩＳＢ０６０１−１９９４）Ｒｚで５μｍ以下であれば、効果があることが確認された。７μｍのものは、９５２３で、ジャムが多発したため実験を取りやめている。

（実施例５）（株）リコー製ＩＰＳＩＯＣｏｌｏｒ８１００で作成した未定着画像の通紙テストを行った。このＩＰＳＩＯＣｏｌｏｒ８１００のトナーは、離型性が不十分なため定着ローラにシリコンオイルを塗布するシリコンオイル含侵されたオイル塗布部材を追加している。このＩＰＳＩＯＣｏｌｏｒ８１００に１０，０００枚、黒ベタ画像を通し、ローラ表面のトナーの付着状態を観察した。特に大きな付着は観察されず。通常のものと何ら変わりがなかった。塗布部材を外したものは、６０，０００枚でローラへのトナーの顕著な付着がみられた。

（実施例６）実施例１のローラで、表面粗さＲｚで、２μｍ以下としたものを作製した。ＭＦ４５７０の定着ユニットを用いたIH定着試験機を作製し、ＭＦ４５７０の未定着画像を加圧力を変えて、このローラに対して通紙した。

２．９(Ｎ／ｃｍ^２)[０．３(ｋｇｆ／ｃｍ^２)]以下では、定着性が非常に悪く、１９．６(Ｎ／ｃｍ^２)[２．０(ｋｇｆ／ｃｍ^２)]以上では、定着ローラへのトナー付着が見られた。紙の巻き付きは、トナー付着状態がさらに悪化し巻き付きが発生したものである。３９．２(Ｎ／ｃｍ^２)以下では見られない。定着性は、定着後のべた画像に面の布を擦りつけ顕著に布にトナーが付いてものを定着不良とし、簡易判定した。

以下に、各請求項の作用、効果を記載する。
請求項１に関して、フィラー部分が熱伝導のパスとなり、かつ、その部分が接着力を向上する界面となり、熱伝導性と耐久性が向上する。

請求項２に関して、フィラー部分の熱的な接続により効率のよい熱輸送が可能となり、熱伝導性が高い弾性部材を提供できる。

請求項３に関して、流動性のある液状シリコーンを用いることで、容易にローラへの被覆構造を作製することができる。

請求項４に関して、硬い表面レジン部分に熱伝導性とシリコーン間の接着の役割をするフィラーを強く固定することによりフィラー間の熱接触、接着強度の向上が図られ熱伝導性と膜強度の向上による耐久性向上が図られる。

請求項５に関して、硬い表面レジン部分に熱伝導性とシリコーン間の接着の役割をするフィラーを強く固定することによりフィラー間の熱接触、接着強度の向上が図られ熱伝導性と膜強度の向上による耐久性向上が図られる。

請求項６に関して、ピッチ系では、高い熱伝導性３００Ｗ／ｍＫ以上のファイバーが得られ部分的な高密度充填により熱伝導性が高い弾性部材を提供できる。

請求項７に関して、フッ素樹脂による離型性を付与することによりオイルレストナーであっても離型性のある耐久性のある誘導加熱装置を提供できる。

請求項８に関して、ベタ画像は、定着部材の表面の凹凸には、トナーがつきやすいため、表面がなめらかな定着部材により紙の巻き付きのない定着部材、定着装置を得ることができる。

請求項９に関して、熱伝導性のよい、ゴム硬度の低いローラにより熱伝達が均一に行われ、かつ膜強度の高い定着部材を用いることにより効率のよい耐久性の高い定着装置を提供できる。

請求項１０に関して、ワックスにより、トナーとトナーに接する定着部材の離型性が向上する。

請求項１１に関して、離型剤により、トナーとトナーに接する定着部材の離型性が向上する。

請求項１２に関して、多くのトナーでの定着は、圧力に依存し、特に、４．９Ｎ／ｃｍ^２ (０．５[ｋｇｆ／ｃｍ^２])以上かけることにより、画像の定着性が向上する。

請求項１３に関して、３９．２Ｎ／ｃｍ^２ (４．０[ｋｇｆ／ｃｍ^２])以上の条件では、トナーの持つワックス、または、シリコンオイルなどの離型剤が、トナー樹脂と定着部材の間から出てしまい、離型剤による離型性を維持できない。この圧力以下であると紙の巻き付きのない定着装置を得ることができる。

請求項１４に関して、熱伝導性のよい、ゴム硬度の低いローラにより熱伝達が均一に行われ、かつ膜強度の高い定着部材を用いることにより信頼性の高い、エネルギー効率のよい画像形成装置を提供できる。

なお、上述する各実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更実施が可能である。本発明は、静電複写機、静電複写プリンタなど、静電転写プロセスを利用する加熱装置、定着装置及び画像形成装置に適用可能である。

本発明の実施の形態における高熱伝導性の原理を示す図である。本発明の実施の形態におけるフィラーとレジンで覆われたシリコーンゴムの作製方法を示す図である。本発明の実施の形態における画像形成装置の構造を示す図である。

Claims

金属または、セラミックスまたは、炭素繊維、を含むシリコーンレジンに覆われたシリコーンゴムによりなる粉体を、シリコーンゴムよりなるマトリックス相に分散したことを特徴とする弾性部材。
前記弾性部材は、金属または、セラミックスまたは、炭素繊維、を含むシリコーンレジンに覆われたシリコーンゴムの粒子をそれぞれ接触した状態であることを特徴とする弾性部材。
前記弾性部材は、金属または、セラミックスまたは、炭素繊維、を含むシリコーンレジンに覆われたシリコーンゴムの粒子を、シリコーンゴム組成物に混合後、硬化することにより形成されていることを特徴とする弾性部材。
シリコーンレジンに覆われたシリコーンゴム粒子に、金属または、セラミックスまたは、炭素繊維、を機械的な圧力と剪断力により固着させて作製したシリコーンゴムの粒子を用いたことを特徴とする弾性部材。
シリコーンレジンを架橋するときに金属または、セラミックスまたは、炭素繊維、を固着させて作製したシリコーンゴムの粒子を用いたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の弾性部材。
前記シリコーンゴム粒子に固着させる炭素繊維が、ピッチ系炭素繊維であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の弾性部材。
最表面にフッ素系高分子よりなる層をもつ請求項１から６のいずれか１項に記載の弾性部材よりなる弾性層を有することを特徴とする定着部材。
表面の粗さ、十点平均高さＲｚが５μｍ以下であることを特徴とした請求項７に記載の弾性部材を用いたことを特徴とする定着部材。
請求項６から８のいずれか１項に記載の弾性部材を用いたことを特徴とした定着装置。
請求項９の定着装置において、ワックス含有のトナーを用いたことで定着を行うことを特徴とする電子写真画像の定着装置。
請求項１から８のいずれか１項に記載の弾性部材を用いる定着装置および、請求項９または１０記載の定着装置において、定着部材に離型剤を塗布する手段を有することを特徴とする電子写真画像の定着装置。
請求項９から１１のいずれか１項に記載の電子写真画像の定着装置において、定着部材に圧接する接触部分の面積Ｓ[ｃｍ^２]で前記被定着部材に対する加圧力Ｆ［ｋｇｆ］を割った値が、４．９Ｎ／ｃｍ^２ (０．５[ｋｇｆ／ｃｍ^２])以上となるようにしたことを特徴とする定着装置。
請求項９から１１のいずれか１項に記載の電子写真画像の定着装置において、定着部材に圧接する接触部分の面積Ｓ[ｃｍ^２]で前記被定着部材に対する加圧力Ｆ［ｋｇｆ］を割った値が、３９．２Ｎ／ｃｍ^２ (４．０[ｋｇｆ／ｃｍ^２])以下となるようにしたことを特徴とする定着装置。
請求項９から１３のいずれか１項に記載の定着装置と、画像形成部とを備え、該画像形成部でシート上にトナー画像を形成し、前記定着装置でシートにトナー画像を定着させることを特徴とする画像形成装置。