JP2014085538A - 面状発熱体、当該面状発熱体を用いる定着装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】強度が高く、かつ電気抵抗が低い面状発熱体を提供すること。
【解決手段】面状発熱体は、発熱層１１と、発熱層１１に電力を供給するための電極１２とを有する。発熱層１１は、耐熱性樹脂とグラフェンシートまたはその積層物とを含む。面状発熱体は、無端状に形成され、発熱ベルト１０を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、面状発熱体、この面状発熱体を用いる定着装置および画像形成装置に関する。

一般に、電子写真方式の画像形成装置として、レーザビームプリンタ、ファクシミリ、複写機、またはディジタル複合機等が知られている。これらの画像形成装置には、未定着のトナー画像を転写材上に定着させる定着装置が装備されている。

このような定着装置としては、例えば、無端状の発熱ベルトと、この発熱ベルトの内側に配置された弾性体ロールと、上記発熱ベルトの外側から上記発熱ベルトを介して上記弾性体ロールに押し付けられる加圧ロールと、上記発熱ベルトの抵抗発熱層に給電する給電手段とを有する定着装置が知られている。この定着装置は、転写材上のトナー画像を発熱ベルトによって融かして定着させる。抵抗発熱層には、高いアスペクト比を有する導電性粉体（導電性フィラー）が分散されている。導電性フィラーには、例えばカーボンナノファイバーやフィラメント状金属粒子が用いられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１０９９９７号公報

上記抵抗発熱層の電気抵抗は、所定の電圧で発熱ベルトを発熱させられる範囲において、低いことが、定着装置の省電力化の観点から好ましい。抵抗発熱層の電気抵抗を低くするためには、高アスペクト比の導電性フィラーを抵抗発熱層に大量に添加する必要がある。しかしながら、導電性フィラーを大量に添加することにより、発熱ベルトの強度が不十分となることがある。

本発明の目的は、強度が高く、かつ電気抵抗が低い面状発熱体を提供することである。
また本発明の別の目的は、上記面状発熱体を用いる定着装置および画像形成装置を提供することである。

本発明に係る面状発熱体は、少なくとも、耐熱性樹脂とグラフェンシートまたはその積層物とを含む発熱層、および、前記発熱層に給電するための電極、を有する。

本発明に係る定着装置は、上記面状発熱体が無端状に形成されてなる無端状の発熱ベルトと、上記発熱ベルトの内側に配置され、上記発熱ベルトの周方向における一部分で上記発熱ベルトの内周面に接触する定着ローラーと、上記発熱ベルトを介して上記定着ローラーに対向して配置され、上記定着ローラーに向けて上記発熱ベルトの外周面を押圧する加圧ローラーと、上記発熱ベルトに給電する給電装置と、を有する。

本発明に係る画像形成装置は、転写材上に電子写真方式によって形成された未定着のトナー画像を加熱および加圧によって上記転写材に定着させる上記定着装置を有する。

本発明によれば、強度が高く、かつ電気抵抗が低い面状発熱体、この面状発熱体を用いる定着装置および画像形成装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る面状発熱体を概略的に示す図である。 本発明の他の実施形態に係る面状発熱体を概略的に示す要部断面図である。 本発明の一実施形態に係る定着装置を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る画像形成装置を概略的に示す図である。 実施例における電気抵抗の測定を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

（面状発熱体）
図１は、本発明の一実施形態に係る面状発熱体を概略的に示す図である。図１Ａは、面状発熱体の一態様である発熱ベルト１０の外観を示す図である。図１Ｂは、図１Ａの発熱ベルト１０を、その中心軸を通る面で切断して示す断面図である。

本実施の形態に係る面状発熱体は、発熱層１１と電極１２とを有する。この面状発熱体は、発熱層１１および電極１２のいずれもが無端状となるように、無端状に形成されていて、発熱ベルト１０を構成している。

発熱層１１は、給電によって発熱する。発熱層１１は、耐熱性樹脂とグラフェンシートまたはその積層物とから構成される。

耐熱性樹脂には、定着部材に用いられる公知の樹脂を用いることができる。耐熱性樹脂は可撓性を有することが好ましい。このような耐熱性樹脂としては、例えばポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂およびポリエーテルエーテルケトン樹脂が挙げられる。

グラフェンシートおよびその積層物は、いずれも薄片状の粉体である。グラフェンは、炭素原子の平面状の六角形格子構造からなる。グラフェンシートとは、平板状のグラフェンであり、通常、単層である。グラフェンシートおよびその積層物は、人工物であり、例えば化学気相蒸着（ＣＶＤ）法で作製されうる。

グラフェンおよびその積層物は、均一な組成を有し、発熱層中で互いに面で部分的に接触する。このため、小さな接触抵抗で互いに接触する。また、面状に連続する均一な組成の導電路が発熱層中に形成される。さらに、グラフェンシートおよびその積層物の大きさは、一般に、高いアスペクト比を有する公知の導電性フィラーの長さよりも大きい。このため、グラフェンおよびその積層物は、面状発熱体における導電性フィラーに用いられることにより、高いアスペクト比を有する公知の導電性フィラーに比べて、より少ない添加量で十分な導電性を発熱層に付与することが可能である。

また、グラフェンおよびその積層物は熱伝導性にも優れる。導電性と熱伝導性の両方に優れる点で、公知の熱導電性フィラーの中でも、熱伝導性に優れるが導電性に劣る炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などよりも有利である。

さらに、発熱層における導電性フィラーの含有量をより少量にすることが可能であることから、発熱層の機械的強度（引張強さ）をより高めることが可能となる。また、含有量が一定の場合、グラフェンの積層物の層数がより大きいと、発熱層の機械的強度がより高まる。

発熱層の所期の導電性を獲得する観点および発熱層の機械的強度を高める観点から、グラフェンシートよりもグラフェンシートの積層物が好ましい。また上記の観点から、グラフェンシートの積層物の層数は、２以上であることが好ましく、１１以上であることがより好ましい。さらに上記の観点から、当該積層物の厚みは、２ｎｍより大きく１２ｎｍ以下であることが好ましく、６ｎｍより大きく１２ｎｍ以下であることがより好ましい。

グラフェンシートは、完全に単層でなくてもよく、部分的に２層以上の部分を含んでいてもよい。このような理由から、グラフェンシートは、例えば層数が２未満である。また、大きさは２μｍ未満であり、厚みは２ｎｍ以下である。グラフェンシートの積層物は、例えば層数が２以上であり、大きさは５〜２５μｍであり、厚みは１２ｎｍ以下である。

グラフェンシートおよびその積層物には、市販品を用いることができる。グラフェンシートおよびその積層物の層数、大きさおよび厚みは、例えば透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって測定されうる。

発熱層１１におけるグラフェンシートおよびその積層物の含有量は、面状発熱体の所期の機能、用途に応じて決められうる。たとえば、面状発熱体の用途が電子写真方式の画像形成装置における定着装置用の発熱ベルトであれば、導電性（発熱量）および機械的強度の両方を十分に獲得する観点から、耐熱性樹脂に対して１５体積％以上であることが好ましく、１５〜４０体積％であることがより好ましい。

発熱層１１の体積抵抗率も、面状発熱体の所期の機能、用途に応じて決められうる。たとえば、面状発熱体の用途が電子写真方式の画像形成装置における定着装置用の発熱ベルトであれば、所期の導電性を十分に獲得する観点から、発熱層１１の体積抵抗率は、０．０８×１０^−４〜１０．００×１０^−４Ω・ｍであることが好ましい。上記体積抵抗率は、例えば発熱層１１におけるグラフェンシートまたはその積層物の含有量や発熱層１１の厚さによって調整されうる。

発熱層１１の厚さは、所期の発熱量を得る観点から、５０〜２００μｍであることが好ましい。発熱層１１の厚さは、例えば後述する発熱層用ドープ液の粘度や、発熱層用ドープ液の塗布回数によって調整されうる。

発熱層１１は、公知の導電性フィラーに代えてグラフェンシートまたはその積層物を用いる以外は、公知の方法によって作製されうる。たとえば発熱層１１は、発熱層用ドープ液を公知の方法によって円柱状の支持体の周面に塗布し、塗膜を硬化させることによって作製される。発熱層用ドープ液は、例えば、耐熱性樹脂またはその溶液、あるいは耐熱性樹脂の前駆体またはその溶液と、グラフェンシートまたはその積層物と、を含有する組成物である。発熱層用ドープ液には、市販品を用いることができる。

耐熱性樹脂の溶液としては、例えばポリアミドイミドの溶液（ワニス）が挙げられる。その市販品としては、例えば、日立化成工業社製「ＨＰＣ−９１００」（ポリアミドイミド）が挙げられる。耐熱性樹脂（ポリイミド）の前駆体としては、例えばポリアミド酸が挙げられる。その市販品としては、例えば、宇部興産社製「Ｕ−ワニスＳ３０１」が挙げられる。

発熱層１１には、本発明の効果が得られる範囲において、さらなる添加剤を含有していてもよい。このような添加剤としては、例えば、グラフェンシートおよびその積層物以外の導電性フィラー、触媒および脱水剤が挙げられる。グラフェンシートおよびその積層物以外の導電性フィラーとしては、例えば、発熱層１１に通常含有される針状または管状の（高アスペクト比を有する）導電性フィラーが挙げられる。

触媒や脱水剤は、耐熱性樹脂の前駆体をより穏和な条件で耐熱性樹脂に変化させる触媒や脱水剤であることが好ましい。たとえば、ポリアミド酸を２００〜４５０℃程度に加熱することによって、イミド化反応が進行する。ポリアミド酸はポリイミドに転化するが、触媒や脱水剤を用いることにより、より低温でイミド化反応を進行させることもできる。触媒としては、イミド化反応を促進するのであれば特に限定されないが、例えばイミダゾール類、第２級アミンおよび第３級アミンが挙げられる。また、脱水剤としては、例えば有機カルボン酸無水物、Ｎ、Ｎ’−ジアルキルカルボジイミド類、低級脂肪酸ハロゲン化物、ハロゲン化低級脂肪酸無水物、アリールホスホン酸ジハロゲン化物およびチオニルハロゲン化物が挙げられる。

電極１２は、発熱層１１に給電するための、金属製の環状の電極（金属電極）である。電極１２，１２は、発熱層１１の外周面の両端縁に、発熱層１１の外周面を一周するようにそれぞれ配置されている。電極１２，１２は、導電性接着剤１３によって発熱層１１に接着されている。

電極１２には、電極の材料として用いられる通常の金属を使用することができる。電極１２の材料としては、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、真鍮、リン青銅、ステンレス鋼、および鉄クロムが挙げられる。

電極１２の幅は、発熱層１１に対する電極１２の接着面積および給電装置に対する電極１２の接触面積を十分に大きくする観点から、５〜３０ｍｍであることが好ましい。電極１２の厚さは、適度の強度と柔軟性との両立の観点から決められうる。電極１２の厚さは、電極１２の剛性と柔軟性とのバランスの観点から、１０〜１００μｍであることが好ましく、３０〜６０μｍであることがより好ましい。

導電性接着剤１３の種類は、発熱層１１と電極１２とを接着可能なものであれば特に限定されない。導電性接着剤１３としては、例えば、接着母材と導電性フィラーとを含む組成物およびシランカップリング剤が挙げられる。接着母材としては、例えばエポキシ樹脂が挙げられる。導電性フィラーとしては、例えば銀フィラー、ニッケルフィラーおよびステンレス鋼フィラーが挙げられる。シランカップリング剤としては、例えばアルキルアミノトリアルコキシシランが挙げられる。

本発明に係る面状発熱体は、図２に示す発熱ベルト２０のように、さらなる層を有していてもよい。

発熱ベルト２０は、図２に示すように、発熱層１１、電極１２，１２および導電性接着剤１３に加えて、補強層１４、弾性層１５および離型層１６をさらに有している。

補強層１４は、発熱層１１を機械的に補強するための層である。補強層１４は、発熱層１１の内側に形成される。補強層１４は、前述した耐熱性樹脂で形成される。補強層１４の厚さは、例えば約１００μｍであることが好ましい。

補強層１４は、発熱層１１に接することが好ましい。この場合、補強層１４の樹脂材料は、発熱層１１の樹脂材料を含むことが、補強層１４と発熱層１１の接着性を高める観点から好ましい。なお、補強層１４は、発熱層１１の内側に形成されてもよいし、発熱層１１の外側に形成されてもよい。また、補強層１４は、発熱層１１に対して部分的に形成することも可能である。例えば補強層１４は、電極１２と発熱層１１との接触部分やその周辺にのみ形成されてもよい。

弾性層１５は、発熱ベルト２０に接触する被加熱体と発熱ベルト２０との接触性を高めるための層である。弾性層１５は、発熱層１１の外側であって電極１２，１２間に形成される。弾性層１５は、シリコーンゴムなどの弾性および耐熱性を有する材料で形成される。弾性層１５の材料には、シリコーンゴムの他、フッ素ゴム等を用いることもできる。弾性層１５の厚さは、例えば５０〜５００μｍであることが好ましい。

離型層１６は、発熱ベルト２０の表面に被加熱体が付着することを防止するための層である。離型層１６は、弾性層１５の外側に形成される。離型層１６は、離型性を有する材料で形成される。離型層１６の材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（４フッ化）樹脂（ＰＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＦＡ）および４フッ化エチレン・エチレン共重合樹脂（ＥＴＦＥ）などのフッ素系樹脂が挙げられる。離型層１６の厚さは、例えば５〜３０μｍであることが好ましい。

発熱ベルト２０は、例えば円筒状の支持体の周面に補強層１４を作製する工程と、補強層１４の表面に発熱層１１を作製する工程と、発熱層１１の両端縁を除く表面に弾性層１５を作製する工程と、弾性層１５の表面に離型層１６を作製する工程と、発熱層１１の両端縁の表面に導電性接着剤１３を塗布する工程と、導電性接着剤１３を介して発熱層１１の両端縁の表面に電極１２を接着する工程と、を含む方法によって作製されうる。

弾性層１５を作製する工程は、導電性接着剤１３を塗布する工程よりも前に行ってもよいし、後に行ってもよい。

補強層１４、弾性層１５および離型層１６は、補強層用ドープ液、弾性層用ドープ液または離型層用ドープ液の塗布および塗膜の硬化によってそれぞれ作製することができる。これらのドープ液は、例えば、各層を構成する樹脂またはその前駆体と、必要に応じて発泡剤などの添加剤や有機溶剤と、を混合して作製される。

なお、電極１２は、金属電極以外の公知の電極に変えることも可能である。金属電極以外の電極としては、例えば金属のめっき層や、導電性ペーストの層などが挙げられる。

また面状発熱体の形状は、無端状に限らず、面状発熱体の用途に応じて適宜に決められうる。たとえば面状発熱体は、シート状であってもよい。電極は、通常、面状発熱体において発熱部となるべき部分の両端に、二以上配置される。電極の数や配置は、前記発熱部となるべき部分の形状や大きさに応じて適宜に決められうる。

本実施の形態に係る面状発熱体は、グラフェンシートまたはその積層物を導電性フィラーとして含有する発熱層を有する。このため、導電性を高めるために通常使用される高アスペクト比の導電性フィラーを含有する発熱層に比べて、より少ない量の導電性フィラーで、十分な導電性とより高い機械的強度とを得ることができる。

また、本実施の形態に係る面状発熱体は、グラフェンシートまたはその積層物が導電性と熱伝導性の両方に優れることから、通常の導電性フィラーを含有量よりも少ない含有量でも、十分な発熱能力を発揮することができる。

また、本実施の形態では、面状発熱体がグラフェンシートの積層物を含有することが、発熱層の導電性および機械的強度をより高める観点からより効果的であり、当該積層物の層数が１１以上であることが、上記の観点からより一層効果的である。

本発明に係る面状発熱体は、面で発熱する用途で用いられる。例えば本発明に係る面状発熱体は、図３に示すように、画像形成装置における定着装置の発熱ベルトに好適に用いられる。

図３は、本発明の一実施形態に係る定着装置６０を概略的に示す図である。図３Ａは、転写材の搬送方向に沿って見た定着装置６０の正面図である。図３Ｂは定着装置６０の側面図である。

定着装置６０は、図３に示すように、発熱ベルト１０、定着ローラー６２、加圧ローラー６３および給電装置６４を有する。発熱ベルト１０は、例えば図１に示したものである。発熱ベルト１０は、図２に示した発熱ベルト２０であってもよい。

定着ローラー６２は、円柱状の芯金６２ａと、その周面上に配置される樹脂層６２ｂとを有する。樹脂層６２ｂの外径は、発熱ベルト１０の内径よりも小さい。定着ローラー６２は、発熱ベルト１０の内側に配置される。定着ローラー６２は、発熱ベルト１０の周方向における一部分で発熱ベルト１０の内周面に接触する。

加圧ローラー６３は、円柱状の芯金６３ａと、その周面上に配置される樹脂層６３ｂとを有する。加圧ローラー６３は、発熱ベルト１０を介して定着ローラー６２に対向して配置される。加圧ローラー６３は、定着ローラー６２に向けて発熱ベルト１０の外周面を押圧可能に配置されている。加圧ローラー６３は、通常は発熱ベルト１０と離れて配置されうる。

樹脂層６２ｂ，６３ｂは、例えば公知の樹脂の層または公知の樹脂が発泡してなる層である。上記樹脂としては、例えばシリコーンゴムおよびフッ素ゴムが挙げられる。樹脂層６２ｂ，６３ｂの少なくともいずれかは、加圧ローラー６３による押圧によって変形する弾性を有する。

加圧ローラー６３は、転写材に対する離型性を有する離型層を、樹脂層６３ｂ上にさらに有していてもよい。この離型層は、フッ素系チューブやフッ素系コーティングによって構成される。離型層の材料としては、前述したフッ素系樹脂が挙げられる。上記離型層の厚さは、例えば５〜１００μｍであることが好ましい。

給電装置６４は、交流電源６４ａと、電極１２に接触する給電部材６４ｂと、交流電源６４ａおよび給電部材６４ｂを接続する導線６４ｃとを有する。給電部材６４ｂは、電極１２に向けて、板バネやコイルバネなどの弾性部材（図示せず）で付勢されている。給電部材６４ｂは、電極１２に対して摺動する部材であってもよいし、回転する部材であってもよい。給電部材６４ｂとしては、例えば、黒鉛や銅−黒鉛複合材料などのカーボン系材料で構成されたカーボンブラシが挙げられる。

発熱ベルト１０、定着ローラー６２および加圧ローラー６３はいずれも回動可能である。それぞれが独立して回動可能であってもよいし、回動自在な一つに従って他が回動してもよい。

加圧ローラー６３が定着ローラー６２に向けて発熱ベルト１０の外周面を押圧することによって発熱ベルト１０と加圧ローラー６３の接触部（ニップ部）が形成される。ニップ部は、定着ローラー６２が窪んで形成されてもよいし、加圧ローラー６３が窪んで形成されてもよい。

トナー画像の定着に際して、各ローラーおよび発熱ベルト１０の回動、発熱ベルト１０への給電およびニップ部の形成は、公知の定着装置と同様に行うことができる。定着装置６０は、公知の定着装置が有する他の構成をさらに有していてよい。

本実施の形態に係る定着装置は、トナーを転写材に融着させるための加熱手段として、前述した発熱ベルトを有する。この発熱ベルトは、十分な発熱能力と十分な機械的強度とを有する。よって、本実施の形態によれば、十分な発熱能力と耐久性とを有する定着装置を提供することができる。

さらに、発熱ベルトが弾性層１５や離型層１６などの他の層をさらに有していることは、ニップ部において発熱ベルトを転写材へ十分に密着させる観点、およびトナーが発熱ベルトの表面に付着することを防止する観点、からより効果的である。

本発明に係る画像形成装置は、本発明に係る定着装置を有する以外は、通常の画像形成装置と同様に構成されうる。

図４は、本発明の実施の形態に係る画像形成装置の全体構成を概略的に示す図である。図４に示す画像形成装置１は、電子写真プロセス技術を利用した中間転写方式のカラー画像形成装置である。

図４に示すように、画像形成装置１は、画像読取部１１０、画像処理部３０、画像形成部４０、用紙搬送部５０および定着装置６０を備える。定着装置６０は、例えば図３に示した定着装置である。

画像読取部１１０は、ＡＤＦ（Ａｕｔｏ Ｄｏｃｕｍｅｎｔ Ｆｅｅｄｅｒ）と称される自動原稿給紙装置１１１および原稿画像走査装置１１２（スキャナー）等を備えて構成される。

原稿トレイに載置された原稿Ｄは、自動原稿給紙装置１１１により原稿画像走査装置１１２へ搬送される。自動原稿給紙装置１１１は、原稿Ｄの搬送時に原稿Ｄの画像を読み取る。原稿画像走査装置１１２は、コンタクトガラス上の原稿Ｄを光学的に走査して読み取る。原稿Ｄからの反射光がＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサー１１２ａにより読み取られ、入力画像データとなる。

入力画像データには、画像処理部３０において所定の画像処理が施される。画像処理が施された画像データに基づいて、画像形成部４０が制御される。

画像形成部４０は、画像形成ユニット４１Ｙ、４１Ｍ、４１Ｃ、４１Ｋ、中間転写ユニット４２、および二次転写ユニット４３等を備える。画像形成ユニット４１Ｙ、４１Ｍ、４１Ｃ、４１Ｋは、入力画像データに基づいて、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の各色トナーによる画像を形成する。

なお、画像形成ユニット４１Ｙ、４１Ｍ、４１Ｃ、４１Ｋは、同様の構成を有する。図示および説明の便宜上、Ｙ成分用の画像形成ユニット４１Ｙの構成要素にのみ符号を付け、その他の画像形成ユニット４１Ｍ、４１Ｃ、４１Ｋの構成要素の符号を省略する。

画像形成ユニット４１は、露光装置４１１、現像装置４１２、感光体ドラム（像担持体）４１３、帯電装置４１４およびドラムクリーニング装置４１５などを備える。

感光体ドラム４１３は、例えば負帯電型の有機感光体である。感光体ドラム４１３の表面は、光導電性を有する。感光体ドラム４１３は一定の周速度で回転する。

帯電装置４１４は、例えばコロナ帯電器である。帯電装置４１４は、感光体ドラム４１３の表面を一様に負極性に帯電させる。

露光装置４１１は、例えば半導体レーザーで構成される。露光装置４１１は、各色成分の画像に対応するレーザー光を感光体ドラム４１３に照射する。こうして感光体ドラム４１３の表面には、静電潜像が形成される。

現像装置４１２は、例えば二成分現像方式の現像装置である。感光体ドラム４１３の表面にトナーを付着させることにより静電潜像が可視化される。こうして感光体ドラム４１３の表面に、静電潜像に応じたトナー画像が形成される。「トナー画像」とは、トナーが画像状に集合した状態を言う。

感光体ドラム４１３の表面のトナー画像は、中間転写ユニット４２によって中間転写ベルト４２１に転写される。転写後に感光体ドラム４１３の表面に残存する転写残トナーは、感光体ドラム４１３の表面に摺接されるドラムクリーニングブレードを有するドラムクリーニング装置４１５によって除去される。

中間転写ユニット４２は、中間転写体となる中間転写ベルト４２１、中間転写ベルト４２１を感光体ドラム４１３に圧接させる一次転写ローラー４２２、バックアップローラー４２３Ａを含む複数の支持ローラー４２３、およびベルトクリーニング装置４２６などを備える。中間転写ベルト４２１は無端状のベルトである。

中間転写ベルト４２１は、複数の支持ローラー４２３にループ状に張架される。複数の支持ローラー４２３のうちの少なくとも一つの駆動ローラーが回転することにより、中間転写ベルト４２１は矢印Ａ方向に一定速度で走行する。一次転写ローラー４２２によって中間転写ベルト４２１が感光体ドラム４１３に圧接することにより、中間転写ベルト４２１に各色のトナー画像が順次重なって転写される。

二次転写ユニット４３は、無端状の二次転写ベルト４３２、および二次転写ローラー４３１Ａを含む複数の支持ローラー４３１などを備える。

二次転写ベルト４３２は、二次転写ローラー４３１Ａおよび支持ローラー４３１によってループ状に張架される。二次転写ローラー４３１Ａは、中間転写ベルト４２１および二次転写ベルト４３２を介して、バックアップローラー４２３Ａに圧接される。それにより、転写ニップが形成される。この転写ニップを転写材である用紙Ｓが通過する。

用紙Ｓは、用紙搬送部５０によって転写ニップへ搬送される。用紙搬送部５０は、給紙部５１、排紙部５２、および搬送経路部５３などを備える。給紙部５１を構成する３つの給紙トレイユニット５１ａ〜５１ｃには、坪量やサイズ等に基づいて識別された用紙Ｓ（規格用紙、特殊用紙）が予め設定された種類ごとに収容される。

搬送経路部５３は、レジストローラー対５３ａなどの複数の搬送ローラー対を有する。用紙Ｓの傾きの補正および搬送のタイミングの調整は、レジストローラー対５３ａが配設されたレジストローラー部により行われる。

転写ニップに用紙Ｓが搬送されると二次転写ローラー４３１Ａへ転写バイアスが印加される。この転写バイアスの印加によって、中間転写ベルト４２１に担持されているトナー画像が用紙Ｓに転写される。トナー画像が転写された用紙Ｓは、二次転写ベルト４３２によって、定着装置６０に向けて搬送される。

定着装置６０は、搬送されてきた用紙Ｓをニップ部で加熱、加圧する。こうしてトナー画像が用紙Ｓに定着する。トナー像が定着された用紙Ｓは、排紙ローラー５２ａを備えた排紙部５２により機外に排紙される。

一方、中間転写ベルト４２１の表面に残存する転写残トナーは、中間転写ベルト４２１の表面に摺接されるベルトクリーニングブレードを有するベルトクリーニング装置４２６によって除去される。

本実施の形態に係る画像形成装置は、前述した発熱ベルトを加熱手段として備える定着装置を有する。発熱ベルトは、ローラー状の加熱手段に比べて素早く加熱することができる。よって、本実施の形態に係る画像形成装置では、ローラー状の加熱手段を定着装置に備える画像形成装置に比べて、加熱手段の加熱に要する消費電力をより削減することができる。

［発熱層用ドープ液の調製］
ポリイミド樹脂の前駆体であるポリアミド酸（宇部興産社製、Ｕ−ワニスＳ３０１）１００ｇと、グラフェンシート（下記表１に示すグラフェンＣ）６ｇを、遊星方式の混合機で十分に混合し、発熱層用ドープ液１を得た。発熱層用ドープ液１におけるグラフェンシートの含有量は、硬化後の発熱層用ドープ液１において１５体積％となる量である。

前記積層物に代えて下記表１に示す樹脂材料および導電性フィラーを用い、その含有量が表２に示すように、硬化後の発熱層用ドープ液において１５または２５体積％となるように配合した以外は、発熱層用ドープ液１と同様にして、発熱層用ドープ液２〜８を得た。

表１および表２中、
「グラフェンＣ」は、ＸＧサイエンス社製、ｘＧｎＰ（Ｇｒａｄｅ Ｃ）である。
「グラフェン積層物Ｍ」は、ＸＧサイエンス社製、ｘＧｎＰ（Ｇｒａｄｅ Ｍ）である。
「グラフェン積層物Ｈ」は、ＸＧサイエンス社製、ｘＧｎＰ（Ｇｒａｄｅ Ｈ）である。
「カーボンナノファイバー」は、昭和電工社製、ＶＧＣＦである。
「黒鉛粉」は、日本黒鉛工業社製、ＵＰ５である。
また、表２中、「ポリアミド酸」は、宇部興産社製、Ｕ−ワニスＳ３０１である。
表１中の「大きさ」とは、粒子を平面視したときの最長部の長さである。
表１中の「カーボンナノファイバー」の「厚み」は、当該ファイバーの太さを意味し、「大きさ」は、当該ファイバーの長さを意味する。
なお、表１の数値はいずれもカタログ値である。また、表１中の黒鉛粉の厚みおよび層数の数値は、この黒鉛粉の粒子がグラフェンに比べて不純物を含む大きな薄片状結晶であることを示している。

［発熱ベルトの作製］
外径３０ｍｍ、全長３４５ｍｍのステンレス管に、発熱層用ドープ液１をスパイラル塗布法によって塗布し、膜厚５００μｍの塗膜を形成した。その後、１５０℃で１時間乾燥し、その後、４００℃で２０分間乾燥し、ポリアミド酸がイミド化してなるポリイミド樹脂製の発熱層ベルト１を得た。発熱層ベルト１の両端縁に導電性接着剤を塗布し、ニッケル薄板のリングからなるニッケル電極を積層ベルト１の外周面の両端縁に接着し、発熱ベルト１を得た。

発熱層用ドープ液１に代えて発熱層用ドープ液２〜８を用いた以外は発熱ベルト１と同様にして、発熱ベルト２〜８を得た。

［評価］
発熱ベルト１〜８を以下の項目で評価した。

（１）抵抗測定
図５に示すように、発熱ベルト１〜８の外周面における二点間の体積抵抗率Ｒ（Ω・ｍ）をＬＣＲメータにて測定した。上記二点間の距離Ｌは３００ｍｍである。測定結果を以下の基準で評価した。結果を表３に示す。
◎：０．０７×１０^−４≦Ｒ＜０．３×１０^−４
〇：０．３×１０^−４≦Ｒ＜３．０×１０^−４
△：３．０×１０^−４≦Ｒ＜１１×１０^−４
×：１１×１０^−４≦Ｒ

（２）ベルト強度
引張１号形ダンベル状の試験片打ち抜き刃を用いて、積層ベルト１〜８を打ち抜き、１号形試験片１〜８を得た。引っ張り試験機（テンシロン試験機）を用いて、１号形試験片１〜８の引っ張り強度σＢ（ＭＰａ）を測定した。測定結果を以下の基準で評価した。結果を表３に示す。
◎：１００＜σＢ
〇：８０＜σＢ≦１００
△：６０＜σＢ≦８０
×：σＢ≦６０

（３）昇温速度
常温（約２５℃）の発熱ベルト１〜８の電極間に１００Ｖの電圧を印加し、発熱ベルト１〜８表面の昇温速度Ｔｒ（℃／秒）を測定した。測定結果を以下の基準で評価した。結果を表３に示す。
〇：１５０＜Ｔｒ
△：４０＜Ｔｒ≦１５０
×：Ｔｒ≦４０

１５体積％または２５体積％のグラフェンシートおよびその積層物を導電性フィラーとして含有する発熱ベルト１〜６は、体積抵抗率、ベルト強度および昇温速度のすべてで、実用上問題ない。特に、１５体積％のグラフェンシートまたはその積層物を含有する発熱ベルト１，３，５では、ベルト強度の観点でより良好であり、２５体積％のグラフェンシートまたはその積層物を含有する発熱ベルト２，４，６では、体積抵抗率および昇温速度（熱伝導性）の観点でより良好である。

これに対して、２５体積％のカーボンナノファイバーや黒鉛粉を導電性フィラーとして配合した発熱ベルト７，８は、いずれも体積抵抗率が実用上低すぎる結果になった。

また、グラフェンＣ、グラフェン積層物Ｍ、およびグラフェン積層物Ｈの順で、より低い体積抵抗率が達成されている。２５体積％のグラフェン積層物Ｈを含有する発熱ベルト６は、２５体積％のグラフェン積層物Ｍを含有する発熱ベルト４に比べて、より高いベルト強度を示している。

発熱ベルト１〜６において体積抵抗率が低い（導電性が高い）理由は、以下のように考えられる。グラフェンシートおよびその積層物は薄片状の人工物であるので、組成および分子構造が均一であり、平面方向における導電性も均一である。このため、グラフェンシートおよびその積層物は、発熱層中において、互いに部分的に重なり、一体的な面状の導電路を形成する。この導電路は、グラフェンシートの均一な組成および均一な分子構造の連続で構成される。よって、高アスペクト比を有する従来の導電性フィラーに比べて、グラフェンシート間の接触抵抗がより小さくなると考えられる。

また、グラフェンシートおよびその積層物は薄片状であり、カーボンナノファイバーの長さに比べて十分に大きな平面を有する。このため、高アスペクト比を有する従来の導電性フィラーに比べて少ない含有量でも、十分に大きな導電路を発熱層中に形成することができると考えられる。

そして、グラフェンシートおよびその積層物を使用することにより、発熱層中の導電性フィラーの含有量を従来よりも少なくすることができることから、高いベルト強度がもたらされる。

本発明に係る面状発熱体は、導電性に優れるとともに高い引張強度を有する。よって、画像形成装置におけるベルト加熱式の定着装置に好適に用いることができ、画像形成装置のさらなる省力化やさらなる改良が期待される。

１ 画像形成装置
１０，２０ 発熱ベルト
１１ 発熱層
１２ 電極
１３ 導電性接着剤
１４ 補強層
１５ 弾性層
１６ 離型層
３０ 画像処理部
４０ 画像形成部
４１Ｙ，４１Ｍ，４１Ｃ，４１Ｋ 画像形成ユニット
４２ 中間転写ユニット
４３ 二次転写ユニット
５０ 用紙搬送部
５１ 給紙部
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ 給紙トレイユニット
５２ 排紙部
５２ａ 排紙ローラー
５３ 搬送経路部
５３ａ レジストローラー対
６０ 定着装置
６２ 定着ローラー
６２ａ，６３ａ 芯金
６２ｂ，６３ｂ 樹脂層
６３ 加圧ローラー
６４ 給電装置
６４ａ 交流電源
６４ｂ 給電部材
６４ｃ 導線
１１０ 画像読取部
１１１ 自動原稿給紙装置
１１２ 原稿画像走査装置
１１２ａ ＣＣＤセンサー
４１１Ｙ 露光装置
４１２Ｙ 現像装置
４１３Ｙ 感光体ドラム
４１４Ｙ 帯電装置
４１５Ｙ ドラムクリーニング装置
４２１ 中間転写ベルト
４２２ 一次転写ローラー
４２３ 支持ローラー
４２３Ａ バックアップローラー
４２６ ベルトクリーニング装置
４３１ 支持ローラー
４３１Ａ 二次転写ローラー
４３２ 二次転写ベルト
Ｄ 原稿
Ｓ 用紙

Claims (8)

1. 少なくとも、
   耐熱性樹脂と、グラフェンシートまたはその積層物とを含む発熱層、および、
   前記発熱層に給電するための電極、
   を有することを特徴とする面状発熱体。
2. 前記発熱層は、前記グラフェンシートの積層物を含むことを特徴とする請求項１に記載の面状発熱体。
3. 前記発熱層は、前記グラフェンシートの１１層以上の積層物を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の面状発熱体。
4. 前記発熱層における前記グラフェンシートまたはその積層物の含有量が１５体積％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の面状発熱体。
5. 前記発熱層の体積抵抗率が０．０８×１０^−４〜１０．００×１０^−４Ω・ｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の面状発熱体。
6. 前記耐熱性樹脂がポリイミドであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の面状発熱体。
7. 無端状の発熱ベルトと、
   前記発熱ベルトの内側に配置され、前記発熱ベルトの周方向における一部分で前記発熱ベルトの内周面に接触する定着ローラーと、
   前記発熱ベルトを介して前記定着ローラーに対向して配置され、前記定着ローラーに向けて前記発熱ベルトの外周面を押圧する加圧ローラーと、
   前記発熱ベルトに給電する給電装置と、を有し、
   前記発熱ベルトが、無端状に形成された請求項１〜６のいずれか１項に記載の面状発熱体であることを特徴とする定着装置。
8. 転写材上に電子写真方式によって形成された未定着のトナー画像を加熱および加圧によって前記転写材に定着させる定着装置を有する画像形成装置において、
   前記定着装置が請求項７に記載の定着装置であることを特徴とする画像形成装置。

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