JP2012058715A - 定着ローラーの基材としてのアルミニウム合金製丸管およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】必要な強度を有すると同時にコストダウンを図ることが可能な定着ローラーの基材としての管材を提供し、また、当該管材の製造方法を提供する。
【解決手段】定着ローラーの基材としてのアルミニウム合金製の中空の丸管１において、丸管１の内壁に抽伸と呼ばれるいわゆる冷間引き抜き加工により１以上の螺旋状の強化筋２が形成される。抽伸の工程においては、管材が引き抜かれる時に、引き抜き内型が当該引き抜き内型を支持する塊の軸孔の中で自転し、引き抜き内型の一部分に設けられた溝によって当該管材の内壁に螺旋状の強化筋２が設けられる。これにより、軸方向および当該軸方向に垂直な径方向からの力に対して強度を有する丸管１が形成される。丸管１の製造方法においては、生産コストが従来技術のものと変わらず、丸管１の壁厚を薄くし、使用するアルミニウム材料の削減および定着ローラー使用時の電気エネルギーの節約を実現することが可能である。
【選択図】図７

Description

本発明は、プリンター、複写機等の事務用機器に用いられる定着ローラーの基材としての丸管に関する。なお、本明細書においては、「定着ローラー」は、いわゆるアイドラローラー、加熱ローラー（ヒートローラー）、加圧ローラー等を含むものとする。

プリンター、複写機、ファックス、もしくは多機能型の機械等の事務設備（ＯＡ）の中には、定着機等の部品、すなわち定着ローラーが含まれる。なお、定着は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換してトナーを融解させ、当該トナーを用紙に浸透させ、転写プロセスから排出トレイへの橋渡しを行うプロセスである。定着ローラーは、定着機の重要な部品であり、図１に示されるように通常は上下２つの定着ローラーを有している。以下、これらを定着上ローラー１０、定着下ローラー２０と呼ぶ。

図２に示されるように、定着上ローラー１０の内部は中空であり、図３に示されるように、当該内部に加熱用の照明灯３０が設けられていて加熱を行う。優れた定着上ローラー１０の管状の材料の多くはアルミニウム合金であり、その表面には耐熱用の化学物質の膜が塗布されている。定着機の温度が上昇する速度は直接プリンターもしくは複写機のプリントもしくはコピーの速度に影響するので、管の壁厚は比較的薄いことが要求される。そして、中空の丸管の内側に塗装された耐熱黒色塗料により熱を吸収して、熱量の迅速な伝道を可能にする。

図４に示されるような定着下ローラー２０は、現在多くは無垢のアルミニウム合金棒状体であり、図５および６に示されるように、丸管の中間部分に３もしくは４本程度の支持部分が設けられることがある。これを、通称３ツ矢管もしくは４ツ矢管と呼び、さらに３ツ矢管アルミニウム合金管材と呼ぶこともある。定着ローラーの基材をアルミニウム合金管材とする定着下ローラー２０を加工する場合、定着上ローラー１０に対応可能なように、一層のゴム層をアルミニウム合金管材に被せており、そのゴム層は通常赤色である。ゴム層の上には、一層の耐熱性の化学物質の薄い膜を被せている。その主要な効果は、定着上ローラー１０に対して圧力を加えるということであり、定着下ローラー２０自身は駆動力がない。定着下ローラー２０が回転するのは、定着上ローラー１０との摩擦によるものである。定着上ローラー１０は、プリンター、複写機等のトナー画像を高温をもって定着せしめ、印刷物を当該プリンター、複写機等のトレイの中に送り出す。

以上のことから分かることは、定着上ローラー１０および定着下ローラー２０の間には互いに圧力がかかるために、その両者の管の壁厚は強度上一定の制約を受けるということである。

定着上ローラー１０の壁厚が比較的厚く設計された場合には、十分な強さと耐久性を保証することができ、温度の上昇下降の繰り返し（作業時は温度上昇、停止時は温度下降）の変化において、定着下ローラー２０から圧力がかかる状況下で、変形し難く、さらに定着下ローラー２０に対して有効な駆動性を持つという利点がある。しかし、定着上ローラー１０の壁厚が厚い場合には、温度上昇の速度が遅く、機械がプリントもしくはコピー等する命令を受けてから、定着上ローラー１０の内側に設けられている加熱用照明灯が加熱を始めて、温度が上昇するのに一定の時間を必要とする。すなわち、操作時に一定の待ち時間が発生し、かつエネルギーの消耗が多く、運用コストはそれに応じて増加することになる。

定着上ローラー１０の壁厚が薄く設計された場合には、温度上昇にかかる時間が少なくなるので、プリントもしくはコピーの速度が速く、しかも待ち時間が少なくなるので立ち上げ時のエネルギーの消耗が少なく運用コストが下がるという利点がある。しかし、アルミニウム合金管材自身の強度および耐久力が落ち、定着下ローラー２０からかかる圧力および温度変化の繰り返しによって、定着上ローラー１０は容易に変形するか割れてしまう可能性があるという欠点がある。したがって、使用寿命は極めて短く、何度も定着機を交換することとなり、かえってより多くのエネルギーを消耗させて、消費者の運用コストを増大させる。

さらに、現段階の事務設備の定着上ローラー１０および定着下ローラー２０の基材となる管材は、その両者において共通性が少ないためそれらを別個に製造しなければならず、その結果として製造コストが増加しかつ生産効率を下げることにつながる。

そこで、本発明は、従来技術の不足部分を克服し、必要な強度および耐久性を有すると同時にエネルギーの節約およびその結果としての運用のコストダウンを図ることが可能な定着ローラーの基材としてのアルミニウム合金製の管材を提供し、また、当該管材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的に鑑みて想到されたものであり、
定着ローラーの基材としてのアルミニウム合金製の中空の丸管において、
内壁に抽伸加工により１以上の螺旋状の強化筋が形成されている
丸管を提供する（第１の実施態様）。

また、上記の第１の実施態様において、
前記螺旋状の強化筋の螺旋角度は４５度よりも小さい
構成が採用されてもよい（第２の実施態様）。

また、上記の第２の実施態様において、
前記螺旋状の強化筋の螺旋角度は１５度以上かつ３０度以下である
構成が採用されてもよい（第３の実施態様）。

また、本発明は、
溶解したアルミニウム合金をモールドの中でアルミニウム合金棒に鋳造する溶解鋳造ステップと、
前記アルミニウム合金棒を押し出し型から押し出し中空の丸管を押し出しする押し出しステップと、
抽伸の内側および外側の型を用いて引き抜くことによって前記丸管を成形する抽伸ステップと、
矯正機の中において前記丸管の真円度と真直度を矯正し前記丸管の残留応力を取り除く矯正ステップと
を備え、
前記抽伸ステップにおいては、前記抽伸の内側の型の外表面に１以上の螺旋状の溝を設けることによって、前記抽伸の内側の型が回転した後に丸管の内壁に１以上の螺旋状の強化筋が形成される
定着ローラーの基材としての丸管の製造方法を提供する（第４の実施態様）。

また、上記の第４の実施態様において、
前記抽伸ステップにおいては、前記抽伸の内側の型の一方の端部から延伸するように設けられた鋼線接続の竿が、前記一方の端部とは異なる他方の端部の位置決めをする塊の軸孔の中で回転する
構成が採用されてもよい（第５の実施態様）。

また、上記の第５の実施態様において、
前記鋼線接続の竿の前記他方の端部には前記鋼線接続の竿の回転に従動する回動装置が設置され、前記回動装置は前記鋼線接続の竿の位置決めをする前記塊の軸孔の中に、前記鋼線接続の竿を支持するローラー・ベアリングおよび所定の端面の摩擦抵抗力を減らす平面ベアリングを有する
構成が採用されてもよい（第６の実施態様）。

定着ローラーの基材となる管材に固有の加工技術の中において、冷間引き抜き加工（以下、「抽伸」と呼ぶ）の技術を改善することにより、アルミニウム合金管材の内側の壁面に数本の螺旋状の強化用の筋（以下、「螺旋状の強化筋」と呼ぶ）を付加して、最大限度製造する定着ローラーのアルミニウム合金管材の材料の使用量を節約することができる。また、この場合、製造費用は従来技術による製造費用とほとんど同じレベルを維持することが可能である。このようにして、定着ローラーに必要な強度および耐久性を維持すると同時に、アルミニウム資源の使用量を減らし、さらに機械の運用コストを削減することができる。また、従来とは異なり、定着上ローラー、定着下ローラー、もしくはアイドラローラー等を共通の製造設備によって製造することができ、その結果として生産効率が高く大いに生産コストを下げることができる。そして、その適用範囲は広範に及ぶ。

次に、本発明にかかる具体的な実施の方法と一緒に考慮されるべき図面について簡単な説明を行う。

図１は、事務設備において一般的に用いられる定着ローラーの概略を表す斜視図である。 図２は、従来技術にかかる定着上ローラーの基材となる管材の構造を説明する図である。 図３は、従来技術にかかる定着上ローラーの基材となる管材の内部にヒーターを入れた場合の構造を説明する図である。 図４は、従来技術にかかる定着下ローラーの概略を表す正面図である。 図５は、従来技術にかかる定着ローラーの基材となる３ツ矢管の構造を説明する図である。 図６は、図５にかかる３ツ矢管のＢＢ線矢視断面図である。 図７は、本発明にかかる定着ローラーの基材となる丸管を軸方向に平行な面で切って見た場合の断面図である。 図８は、図７にかかる定着ローラーの基材となる丸管を表す斜視図である。 図９は、本発明にかかる定着ローラーの基材となる丸管を製造する工程を説明する図である。 図１０は、本発明にかかる定着ローラーの基材となる丸管を製造する抽伸の工程を説明する図である。 図１１は、本発明にかかる定着ローラーの基材となる丸管を製造する抽伸の工程に用いられる螺旋型プラグの断面図である。 図１２は、図１１の螺旋型プラグの刃型を表す正面図である。 図１３は、図１１の螺旋型プラグを軸方向に垂直な平面で切って見た場合の断面図である。 図１４は、本発明にかかる定着ローラーの基材となる丸管を製造する抽出の工程に用いられる回動装置の概略を表す断面図である。 図１５は、本発明にかかる定着上ローラーの基材となる管材の内部にヒーターを入れた場合の構造を説明する図である。 図１６は、本発明にかかる定着下ローラーの基材となる管材の構造を説明する図である。

（実施形態）
以下、本発明の一具体例である実施形態を、図面を用いて説明する。
本発明は、定着ローラーに用いられるアルミニウム合金管材に関するものであり、図７および８に示されるように、中空の丸管１の内壁に抽伸によって作られた１以上の螺旋状の強化筋２が設けられたものである。本実施形態においては、６本の螺旋状の強化筋２が設けられている。一般的には少なくとも３本の螺旋状の強化筋２が必要であり、螺旋角度は４５度よりも小さく、１５度以上かつ３０度以下の範囲内にあることが比較的適切である。

本発明者の設計の構想は、以下の通りである。すなわち、アルミニウム合金製の管材（丸管１）の強度および耐久力を増加させるため、本発明者たちは、先ず強化筋を追加することを考えた。強化筋を付けることで、材料全体の力学的な性能の向上が確認された。定着ローラーのアルミニウム合金製の管材の内部に強化筋を追加してアルミニウム合金製の管材の強度および耐久力を増加させることができた。問題は、強化筋をどのような方法でどのような工程で実現するかであった。このために、前後して以下の何種類かの方法を試して強化筋の設置を行った。すなわち、第１に、アルミニウム合金製の管材の内壁で軸方向に数本の強化筋を増加して強化を行った。この場合、軸方向の強度の増大が可能となった。その製造技術は比較的簡単な方法を通じて獲得することができたが、定着ローラーは（上述の軸方向と垂直な）径方向の比較的大きな力を受けることがある。軸方向の強化筋による効果は径方向の力に対して脆弱であった。このため、軸方向の強化筋の数量を増加することを通じてその径方向の力を受け止めることを試みたが、軸方向の強化筋の数量が多過ぎると、アルミニウム合金製の管材の壁厚を厚くするのと大きな差がなくなってしまった。その結果として、コストダウンと材料節約という目的を達成することができなかった。

第２に、アルミニウム合金製の管材の内壁において数本の（上述の軸方向および径方向に垂直な）周方向の強化筋を増加した。このようにすると、アルミニウム合金製の管材の径方向の力を受け止めることができる。しかし、軸方向の力を受け止めることにおいて比較的脆弱であり、その上加工する工程が比較的複雑で、製造コストが増加して、材料コストの節約と製造コストの上昇が基本的には等しく相殺してしまう。したがって、上述のような強化筋をアルミニウム合金製の管材に設置することは、定着上ローラー１０の製造後、定着上ローラー１０の迅速な加熱の問題を改善することはできるが、経済効果は明確なものではなかった。

第３に、上述の２種類の強化筋の増加案の研究および実験を通じて、本発明者たちはアルミニウム合金製の管材の軸方向および径方向の力を受け止めることができる有効な技術を想到するに至った。この技術は、定着ローラーの基材となる丸管１固有の加工技術の中における抽伸の改善に関するものである。すなわち、アルミニウム合金製の管材の内壁に数本の螺旋状の強化筋２を設けることによるものである。螺旋状の強化筋２の数量および大きさは、その都度の要求によって変化する。この技術は、最大限度定着ローラー製造のためのアルミニウム合金の使用量を節約し、その上製造費用が従来技術の製造費用とほとんど同じである。また、定着ローラーに必要な強度と耐久力を保証することができて、さらにコストダウンすることと資源を節約することができる。この技術は、定着上ローラー１０や定着下ローラー２０に適用することができるだけでなく、事務設備（ＯＡ）の中のアイドラローラー等に適用し効果を得ることができる。さらに、従来技術においては定着上ローラー１０、定着下ローラー２０、およびアイドラローラーは、各々異なる設備において製造することが必要である一方、本発明は共通の設備によってそれらを製造することが可能であり、生産効率が高くて大いに生産コストを下げることができ、その適用範囲も広範にわたる。図１５に示されるように、本発明を定着上ローラー１０の基材となるアルミニウム合金製の管材に適用することができる。また、図１６に示されるように、本発明を定着下ローラー２０およびアイドラローラーに適用することができる。

本発明にかかる定着ローラーの基材としてのアルミニウム合金製の管材の製造方法の一例として、次の工程が考えられる。なお当該工程の概略は、図９に示されている。
（１）溶解鋳造。すなわち、溶解したアルミニウム合金をモールドの中において無垢のアルミニウム棒に鋳造する。
（２）押し出し。すなわち、アルミニウム棒を型から押し出し中空の丸管１に押し出す。
（３）抽伸。丸管１が抽伸の内側の型（以下、「引き抜き内型３」と呼ぶ）および抽伸の外側の型（以下、「引き抜き外型４」と呼ぶ）を用いた抽伸機械の中において引き抜かれる。引き抜き内型３の外表面上には１以上の螺旋状の凹んでいる溝があり、引き抜き内型３が回転することによって丸管１の内壁に１以上の螺旋状の強化筋２が形成される。
（４）矯正。矯正機によってアルミニウム合金製の管材の真円度および真直度を矯正するとともに、その残留応力を取り除く。矯正後に、アルミニウム合金製の管材は、必要な長さに切断されてその後に定着上ローラー１０（図１５に示す）、定着下ローラー２０、もしくはアイドラローラー（図１６に示す）を製造するための基材として用いられる。

上述の溶解鋳造、押し出し、矯正の３つの工程は、従来技術における中空のアルミニウム合金製の定着ローラーの製造方法と基本的に一致している。重要な部分は、抽伸の工程の中の引き抜き内型３および引き抜き外型４の設計である。すなわち、異なるＯＡ機器への適用に応じて、アルミニウム合金製の管材の規格に合わせて螺旋状の強化筋２の数量と大きさを設計する。図１０乃至１３に示されるように、上述のように引き抜き内型３および引き抜き外型４を設計する必要がある。螺旋状の強化筋２をアルミニウム合金製の管材の内壁に設置するために、一番重要なのは引き抜き内型３の設計およびその製造である。

先ず定着上ローラー１０の基材の長さによって螺旋状の強化筋２の巻き数を設定して、螺旋のピッチを決定する。アルミニウム合金製の管材の内径は螺旋山の直径であり、螺旋のピッチと当該直径によって螺旋山の方向と軸方向との角度を計算する。当該角度は、引き抜き内型３の溝の方向と抽伸の軸方向との角度に一致する。ねじ山（すなわち、螺旋山）の盛り上がる規格（螺旋状の強化筋２の大きさ）および螺旋状の強化筋２の数量は、受ける力の大きさによって設定する。当該規格は、引き抜き内型３の凹んでいる溝の深さＤ（図１３に示す）である。例えば、製品の軸方向の長さが３２５ミリメートルで、丸管１の内径が１８ミリメートルの定着ローラー１０である管材は、螺旋状の強化筋２を２周に設定して、数量は６本で、突起の量はＲ１で、螺旋の方向と軸方向との角度が約２０度であり、上述の溝の深さＤが１ミリメートルであれば好適である。この場合、凹んでいる溝および引き抜き内型３の外径の辺は比較的鋭く形成して、その後に丸く面を取る必要がある。引き抜き内型３および引き抜き外型４の全体は、光沢があり材料の合理的な流動を保証する必要がある。引き抜き外型４は、最終製品にとって必要な外径の大きさに応じて設定される。

螺旋状の強化筋２は抽伸の工程を通じて完成されるため、通常の抽伸の場合、金属の流動は軸方向の直線に沿って進行する。螺旋状の強化筋２を増加した後は、金属の移動の方向は軸方向の直線と螺旋の方向との２つの方向になる。力学的な原理においては、上述のように金属が回転しながら軸方向に移動する場合、回転によって生じる応力は軸方向の進行によって生じる応力よりも大きくすることができない。なぜなら、そのようにすれば抽伸時において材料が割れることにつながるからである。したがって、引き抜き内型３の凹んでいる溝の方向と引き抜きの軸方向との角度は４５度よりも小さくなければならない。なお、当該角度は、１５度以上かつ３０度以下の範囲内にあれば好適である。

図１１乃至１３に示されるように、引き抜き内型３は、１以上の螺旋状の凹んでいる溝３１１を有する螺旋型プラグ３１と、内型固定部分３２とを有する。６本の螺旋状の凹んでいる溝があれば、抽伸の工程において引き抜いた螺旋状の強化筋２も６本設けられることになる。ここで、凹んでいる溝の深さは、Ｄとする。

本実施形態にかかる抽伸の工程の中において、引き抜き内型３の一方の端部には鋼線接続の竿５が接続されており、鋼線接続の竿５は、引き抜き内型３に接続されている側とは反対側の端部において塊６によって位置決めされ、塊６の軸孔６１の内部で回転する。抽伸時に発生する力によって、引き抜き内型３に接続されている鋼線接続の竿５が塊６に対して自転する。すなわち、螺旋型プラグ３１に溝が設けられることによって、引き抜き内型３に接続されている鋼線接続の竿５が引き抜き時に自転し、螺旋型プラグ３１の回転によって丸管１の内壁に螺旋状の溝（すなわち、螺旋状の強化筋２）が形成される。図１０に示されるように、当然のことながら、外部から一定の力によって鋼線接続の竿５および引き抜き内型３に回転を与えることができる。しかし、金属が回転流動する際に発生する応力および引き抜きの速度、金型のベアリングの角度、鋳型の表面の光沢度、引き抜き内型３において設けられている凹んだ溝の角度等の要素によって、もし鋼線接続の竿５を主導的に駆動する場合には、鋼線接続の竿５の回転速度は計算し難く、順調な引き抜きを保証することができない。したがって、本実施形態にかかる丸管１の製造方法は、抽伸時において金属の旋回流動で発生する応力を除去するために比較的優れた実施例として、抽伸時の旋回応力により従動的に回転する回動装置７を設計し提供する。図１４に示されるように、回動装置７は、鋼線接続の竿５、位置決めのための塊６の中のローラー・ベアリング７１および所定の端面の摩擦に耐える平面ベアリング７２を有している。それらは、位置決めのための塊６の軸孔６１の中に設けられている。その設計の構想は、以下の通りである。

図１０に示されるように、通常の鋼線接続の竿５は螺旋状の歯もしくは溶接によって位置決めのための塊６に接続されている。抽伸時において、引き抜き内型３は引き抜きの力を受けて、鋼線接続の竿５の一端部が抽伸機の位置決め面に当たり、当該引き抜きの力と摩擦力との２重の効果によって鋼線接続の竿５は簡単には自転しない。このために、本発明者たちは、鋼線接続の竿５に加えて、位置決めのための塊６の内部に一つの平面ベアリング７２および一つのローラー・ベアリング７１を設けることを考えた。図１４に示されるように、ローラー・ベアリング７１は、鋼線接続の竿５の固定を機械の位置決めのための塊６の中心において行い、鋼線接続の竿５と軸孔６１の周囲との摩擦を防止する。そして、平面ベアリング７２は、所定の端面の摩擦抵抗力を最低まで減少させる。抽伸を行い螺旋状の強化筋２をアルミニウム合金製の管材に付ける場合、引き抜き内型３の凹んでいる溝によって金属の流動で発生する回転応力が鋼線接続の竿５を回転させる。当該回転する速度は、抽伸時に発生する応力で決まる。回転する応力の平衡が取れている事によって、順調に螺旋状の強化筋２が設けられたアルミニウム合金製の管材を作り出すことができる。

１…丸管、２…螺旋状の強化筋、３…引き抜き内型、３１…螺旋型プラグ、３１１…溝、３２…内型固定部分、４…引き抜き外型、５…鋼線接続の竿、６…塊、６１…軸孔、７…回動装置、７１…ローラー・ベアリング、７２…平面ベアリング、１０…定着上ローラー、２０…定着下ローラー、３０…加熱用の照明灯

Claims (6)

1. 定着ローラーの基材としてのアルミニウム合金製の中空の丸管であって、
   内壁に抽伸加工により１以上の螺旋状の強化筋が形成されている
   丸管。
2. 前記螺旋状の強化筋の螺旋角度は４５度よりも小さい
   請求項１に記載の丸管。
3. 前記螺旋状の強化筋の螺旋角度は１５度以上かつ３０度以下である
   請求項２に記載の丸管。
4. 溶解したアルミニウム合金をモールドの中でアルミニウム合金棒に鋳造する溶解鋳造ステップと、
   前記アルミニウム合金棒を押し出し型から押し出し中空の丸管を押し出しする押し出しステップと、
   抽伸の内側および外側の型を用いて引き抜くことによって前記丸管を成形する抽伸ステップと、
   矯正機の中において前記丸管の真円度と真直度を矯正し前記丸管の残留応力を取り除く矯正ステップと
   を備え、
   前記抽伸ステップにおいては、前記抽伸の内側の型の外表面に１以上の螺旋状の溝を設けることによって、前記抽伸の内側の型が回転した後に丸管の内壁に１以上の螺旋状の強化筋が形成される
   定着ローラーの基材としての丸管の製造方法。
5. 前記抽伸ステップにおいては、前記抽伸の内側の型の一方の端部から延伸するように設けられた鋼線接続の竿が、前記一方の端部とは異なる他方の端部の位置決めをする塊の軸孔の中で回転する
   請求項４に記載の製造方法。
6. 前記鋼線接続の竿の前記他方の端部には前記鋼線接続の竿の回転に従動する回動装置が設置され、前記回動装置は前記鋼線接続の竿の位置決めをする前記塊の軸孔の中に、前記鋼線接続の竿を支持するローラー・ベアリングおよび所定の端面の摩擦抵抗力を減らす平面ベアリングを有する
   請求項５に記載の製造方法。
   
   

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